Pirolisi termica del metano su catalizzatore a base ferro: indagine sperimentale in letto fisso e fluidizzato e sviluppo di un modello predittivo fluidodinamico-reattivo = Thermal pyrolysis of methane on iron-based catalyst: experimental investigation in fixed and fluidized bed and development of a predictive fluid dynamic-reactive model

L’attuale panorama energetico mondiale si basa ancora in gran parte sui combustibili fossili, che restano centrali per la produzione di energia e per i trasporti. Per raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050 sarà necessario un cambio di rotta, con l’abbandono progressivo delle fonti fossili e il ricorso a tecnologie rinnovabili e processi a basse emissioni. In questo contesto l’idrogeno si presenta come uno dei vettori più promettenti e strategici per accompagnare la transizione energetica. Non tutti i metodi di produzione di H2 hanno lo stesso impatto. Quello “grigio”, ottenuto con lo Steam Methane Reforming (SMR), è oggi il più diffuso perché economico ed efficiente, ma comporta elevate emissioni di CO2; con l’aggiunta di sistemi di cattura e stoccaggio si ottiene l’idrogeno “blu”, meno inquinante ma ancora legato alle fonti fossili; l’idrogeno “verde”, invece, prodotto con elettrolisi alimentata da rinnovabili, rappresenta la soluzione più sostenibile e il modello di riferimento per un futuro a emissioni zero. Esiste infine una ulteriore opzione, ancora in fase di consolidamento, che è l’idrogeno “turchese”. In questo caso il metano (CH4) viene sottoposto a pirolisi catalitica, decomponendosi in due molecole di idrogeno e carbonio solido; quest’ultimo non rappresenta uno scarto, ma al contrario un sottoprodotto di grande valore, dato che in determinate condizioni può infatti dar luogo alla formazione di nanotubi di carbonio, materiali con proprietà intrinseche di grande interesse tecnologico. Il lavoro di tesi qui presentato si è focalizzato proprio su questo processo, utilizzando un catalizzatore ferro-allumina ottenuto mediante la tecnica di Wet Impregnation. Sono state utilizzate due configurazioni reattoristiche, il letto fisso e il letto fluidizzato, con un duplice scopo: da un lato mettere a confronto le performance dei due sistemi, dall’altro studiare la natura delle strutture carboniose formatesi sui catalizzatori esausti, attraverso tecniche di caratterizzazione come XRD, Raman, FESEM e TEM. Il nucleo centrale del lavoro, tuttavia, ha riguardato lo sviluppo, in ambiente MATLAB, del modello di Kunii-Levenspiel per il letto fluidizzato. Le simulazioni effettuate hanno permesso di correlare le condizioni operative con la deposizione di carbonio sulla superficie catalitica, prevedendo al contempo l’evoluzione delle dimensioni delle particelle di catalizzatore e di altri parametri fondamentali quali l’altezza di fluidizzazione e la conversione. Le analisi hanno mostrato che i catalizzatori esausti del reattore a letto fluidizzato, operante a 700 °C, contenevano una quantità maggiore di nanotubi, più lunghi e ordinati rispetto a quelli ottenuti nel letto fisso alla stessa temperatura; questo conferma l’efficienza del contatto gas-solido tipica dei letti fluidizzati e la loro capacità di favorire la crescita di strutture carboniose complesse. Nella parte finale sono state discusse diverse strategie di modellazione dell’attività catalitica, pensate per fornire strumenti predittivi utili sia in laboratorio sia in vista di un futuro scale-up. In conclusione, i risultati ottenuti indicano che i reattori a letto fluidizzato rappresentano la configurazione più promettente, poiché favoriscono la formazione di nanotubi di migliore qualità e, in prospettiva, potrebbero consentire la rigenerazione del catalizzatore, aprendo così alla possibilità di operare il processo in continuo su scala industriale.