Analisi ed ottimizzazione del processo di pirolisi termocatalitica del metano su biochar e catalizzatori a base ferro = Analysis and optimization of the thermo-catalytic process of methane on biochar and iron-based catalysts

Le fonti fossili, come il petrolio, il carbone e il gas naturale, costituiscono attualmente le principali fonti di energia utilizzate a livello mondiale. Tuttavia, presentano una serie di problematiche rilevanti. Le riserve di combustibili fossili sono in via di esaurimento e l'estrazione di tali risorse comporta costi crescenti. Inoltre, l'estrazione e la combustione delle fonti fossili contribuiscono all'aumento significativo delle emissioni di gas serra, responsabili delle problematiche ambientali. Attualmente, le fonti energetiche rinnovabili, come l'energia solare, eolica ed idroelettrica, rappresentano una soluzione più sostenibile. Tuttavia, presentano sfide legate alla loro intermittenza e alla loro dipendenza dalle condizioni climatiche. Al fine di garantire una fornitura stabile di energia, diventa imprescindibile lo sviluppo di soluzioni avanzate per la sua conversione e stoccaggio. In questo scenario, l'idrogeno emerge come una soluzione di notevole interesse grazie alla sua intrinseca capacità di essere convertito in energia ad impatto ambientale ridotto. Attualmente, tre sono i principali processi associati alla produzione di idrogeno. Lo Steam Reforming del Metano (SMR), rappresenta la tecnologia più economica ma al contempo più impattante sull'ambiente. L'elettrolisi dell'acqua è un processo più sostenibile dal punto di vista ecologico (se l’energia proviene da fonti rinnovabili) ma comporta costi elevati. Infine, la Decomposizione Termica del Metano (TMD), si pone a metà strada fra le due precedenti. La TMD è più efficiente dal punto di vista energetico, ma tuttora ancora meno economicamente competitiva rispetto alla SMR. Il processo di pirolisi coinvolge la trasformazione di una mole di metano in una mole di carbonio solido e due moli di idrogeno. Questo approccio offre il vantaggio di ridurre significativamente le emissioni di gas serra e, allo stesso tempo, consente di valorizzare un sottoprodotto (carbonio solido). La TMD può essere condotta su catalizzatori a base metallica (metalli di transizione) o carboniosa (biochar). I catalizzatori metallici presentano maggiore attività ma, al contempo, costi maggiori e la necessità di rigenerazione del catalizzatore esausto. Al contrario, i biochar sono caratterizzati da bassi costi, non richiedono successivi processi di rigenerazione ma presentano attività inferiori. L'obiettivo della tesi è stato valutare l'efficacia di diversi biochar nell'ambito della pirolisi del metano. Prima di condurre esperimenti atti ad analizzare le prestazioni degli stessi in termini di conversione del metano, sono stati condotti approfonditi studi di ricerca scientifica. Tali studi si sono concentrati sulle performance catalitiche dei catalizzatori e sulla loro dipendenza dalla biomassa d’origine e dai successivi processi di upgrading. Inoltre, sono stati valutati i parametri cinetici come l'ordine di reazione e l'energia di attivazione. Successivamente, l'attenzione si è focalizzata sulla progettazione di un impianto a letto fluidizzato per la pirolisi del metano, utilizzando catalizzatori a base di ferro, più attivi e privi di problematiche di tossicità. Questo studio apre la strada a future ricerche sull'ottimizzazione dei catalizzatori, l'analisi di impatto ambientale e la scalabilità a livello industriale. La comprensione del processo catalitico e l'applicazione dei catalizzatori potrebbero contribuire alla transizione verso fonti energetiche più sostenibili e alla riduzione delle emissioni di gas serra.