La Ricerca di Sistema elettrico nazionale (RdS) è un programma che prevede varie attività di ricerca e sviluppo aventi lo scopo di ridurre il costo dell’energia elettrica per gli utenti finali, migliorare l’affidabilità del sistema e la qualità del servizio, ridurre l’impatto del sistema elettrico sull’ambiente e sulla salute, consentire l’utilizzo razionale delle risorse energetiche ed assicurare al paese le condizioni per uno sviluppo sostenibile. 

Per l'attuazione delle attività di ricerca e sviluppo definite nei Piani Triennali, il Ministero dell'Ambiente e della Sicurezza Energetica (MASE) stipula Accordi di Programma con alcuni fra i principali enti di ricerca italiani come RSE S.p.A, ENEA e CNR. Gli Affidatari elaborano quindi Piani Triennali di Realizzazione (PTR), articolati per progetti di ricerca, che vanno a costituire i capitolati tecnici degli accordi.

Sotacarbo ha aderito nel Piano Triennale 2022-2024 al Progetto Integrato Tecnologie dell'Idrogeno (Progetto 1.3) in qualità di co-beneficiario per conto dell'ENEA nell'ambito di due accordi di collaborazione sui temi "Sviluppo e ottimizzazione di un processo per la gassificazione in letto bollente di rifiuti plastici non riciclabili e di biomasse" e "Sviluppo e tecnologie Power to fuels per la decarbonizzazione di settori hard-to-abate". 

Sulla base dei due accordi, sono state definite, nell'ambito di due diversi work package, le seguenti linee di attività:

• LA 1.11 “Sperimentazione a supporto della progettazione delle modifiche impiantistiche del gassificatore a letto fluido bollente” (18 mesi, gennaio 2022-giugno 2023);
• LA 1.12 “Progettazione esecutiva, realizzazione e test delle modifiche impiantistiche del gassificatore a letto fluido bollente” (18 mesi, luglio 2023-dicembre 2024);
• LA 1.13 “Progettazione esecutiva e realizzazione del nuovo sistema di pulizia a caldo del syngas” (18 mesi, luglio 2023-dicembre 2024);
• LA 2.23 “Power to fuels: ottimizzazione dell’impianto P2G/L e sperimentazione a supporto” (previsto inizialmente per 18 mesi e poi esteso ai 36, gennaio 2022-dicembre 2024);
• LA 2.24 “Power to fuels: sviluppo sperimentale di nuovi materiali e processi” (18 mesi, luglio 2023-dicembre 2024);
• LA 4.3 “Attività di disseminazione e comunicazione dei risultati condotte da Sotacarbo nell’ambito del progetto integrato 1.3 Tecnologie dell’idrogeno” (36 mesi, gennaio 2022-dicembre 2024).

Di seguito vengono riportati i dettagli delle singole linee di attività e una descrizione dei principali risultati conseguiti.

La linea di attività LA 1.11 (gennaio 2022 - giugno 2023) ha previsto una campagna sperimentale (16 test) sull'impianto di gassificazione a letto fluido bollente FABER (Fluidized Air-Blown Experimental gasification Reactor), facente parte della Piattaforma Pilota Sotacarbo, con l'obiettivo di supportare la progettazione e la realizzazione delle modifiche all’impianto stesso così da renderlo utilizzabile con soli ossigeno e vapore come agenti gassificanti in sostituzione all’aria. I test condotti con plastiche non riciclabili e biomasse sono stati fondamentali per verificare la variazione della portata e della composizione del syngas a seconda degli agenti gassificanti impiegati (aria, vapore e ossigeno) e delle loro percentuali. Inoltre, per la campagna sperimentale sono stati individuati e impostati i parametri operativi ottimali quali il rapporto di equivalenza (ER), la temperatura del reattore, il tempo di permanenza del gas e del combustibile nel reattore (Cold Gas Efficiency, CGE) e l'efficienza di conversione del carbonio (Carbon Conversion Efficiency, CCE). 

Durante questa campagna sperimentale è stato raggiunto il 39% di arricchimento di ossigeno in aria, nel rispetto del limite di conduzione del reattore di gassificazione con la quantità massima di vapore impiegabile.

L'attività svolta ha permesso di individuare i limiti tecnici della configurazione impiantistica al fine di supportare la progettazione e la realizzazione delle modifiche all'impianto stesso così da renderlo utilizzabile con soli ossigeno e vapore come agenti gassificanti in sostituzione all’aria, attività oggetto della successiva LA 1.12. Dal punto di vista operativo sono state realizzate, inoltre, l'ottimizzazione e la modifica della linea di adduzione vapore e del sistema di regolazione e controllo, per l'esercizio dell'impianto nelle nuove condizioni operative.

Lo step successivo, realizzato nei mesi da luglio 2023 a dicembre 2024, è stato realizzato sulla base degli obiettivi delineati dalla linea di attività LA 1.12. Questi hanno riguardato le modifiche impiantistiche dell'impianto FABER per l'esercizio con ossigeno e vapore in sostituzione dell'aria come agenti gassificanti e la successiva campagna sperimentale con lo scopo di testare l'impianto al crescere dell'arricchimento dell'ossigeno nella miscela gassificante.

Le modifiche impiantistiche, sulla base della progettazione di processo effettuata dai colleghi dell’Università della Campania (UVAN) nell'ambito della linea di attività LA 1.15, hanno riguardato, tra le altre, l'installazione di una nuova caldaia di produzione vapore al fine di incrementare la portata disponibile, la modifica della stessa linea di adduzione vapore al gassificatore, la modifica al sistema di caricamento del combustibile e l'adeguamento del sistema di regolazione e controllo per la gestione dell'impianto a seguito delle variazioni effettuate.

Durante la campagna sperimentale, costituita da 19 test, l’impianto è stato testato per la gassificazione di plastiche non riciclabili (Plasmix) con concentrazioni via via crescenti di ossigeno fino a raggiungere l’80% di arricchimento in aria. In queste condizioni è stato ottenuto un syngas più ricco in idrogeno (8%-11%) e con un potere calorifico superiore di 17 MJ/Nm³. La portata massima di vapore utilizzata è stata di poco inferiore a 60 kg/h (test con 80% di ossigeno): in vista della completa sostituzione dell'aria (100% ossigeno) occorrerà incrementare ulteriormente la portata di vapore al fine di moderare la temperatura del reattore di gassificazione.

L'attività è stata completata con l'analisi dei rischi per la garanzia delle condizioni di sicurezza, di esercizio e di affidabilità operativa dell’impianto e con la redazione delle procedure operative di gestione nella sua nuova configurazione.

Le attività previste nella LA 1.13, realizzate tra luglio 2023 e dicembre 2024, hanno riguardato la progettazione esecutiva e la successiva realizzazione di un nuovo sistema di pulizia a caldo del syngas prodotto dal processo di gassificazione delle plastiche, con l'obiettivo di ridurre la concentrazione del tar (idrocarburi pesanti) attraverso un processo di cracking catalitico. 

Preliminarmente, a causa della necessità di dover disporre di elevate portate di vapore al fine di moderare la temperatura del reattore di gassificazione, è stata necessaria un’ulteriore modifica impiantistica ovvero l'acquisizione di un nuovo sistema di pulizia a freddo ripensato per consentire di raccogliere, condensare ed infine, ricircolare una portata d’acqua maggiore. L'adeguamento è stato così compreso nella più complessiva progettazione della nuova sezione di pulizia del syngas.

Il sistema di pulizia a caldo, invece, è stato progettato dai colleghi di UVAN nell'ambito della LA 1.16, con l'obiettivo di trattare il syngas in un forno catalitico al cui interno avviene la reazione di cracking e l'abbattimento delle concentrazioni di tar fino all'80%.

L’attività svolta ha permesso il raggiungimento dei risultati programmati ad inizio progetto: il sistema di pulizia a caldo è stato realizzato e collaudato e i primi test sperimentali hanno mostrato sia la buona integrazione dei nuovi sistemi di pulizia col resto dell’impianto di gassificazione, sia degli incoraggianti risultati in termini di abbattimento del tar, fino al 74%, valore prossimo a quello previsto in fase di stesura del progetto. I promettenti risultati ottenuti possono essere considerati preliminari e necessitano di ulteriori test per raggiungere un’efficacia di separazione maggiore del tar, per valutare le prestazioni dei catalizzatori (in termini di cicli di utilizzo, tempistiche di disattivazione, etc.) e per ottimizzare in generale il nuovo sistema di pulizia.

L'attività svolta nella LA 1.13 ha contribuito ad arricchire la ricerca attraverso l’implementazione e l’aggiornamento del sistema di pulizia, con l’obiettivo di ottenere un vettore ricco in idrogeno e soprattutto con ridotto contenuto di idrocarburi pesanti. Da un punto di vista tecnico, tale soluzione risulta essere particolarmente innovativa e consentirà di offrire alla comunità scientifica e più in generale alla collettività, un contributo tecnologicamente avanzato per la produzione di idrogeno da rifiuti plastici non riciclabili.

Nella linea di attività “LA 2.23 Power to fuels: ottimizzazione dell’impianto P2G/L e sperimentazione a supporto” l’obiettivo primario è stato quello di verificare il corretto funzionamento del prototipo sperimentale Power to fuels (P2G/L) - la cui realizzazione presso la piattaforma pilota Sotacarbo è stata completata nel precedente triennio - e di ottimizzarlo. A tal fine, si è proceduto in primo luogo all’esecuzione di una campagna sperimentale preliminare volta a evidenziare le specifiche criticità per poter intervenire sulle sezioni impiantistiche coinvolte e migliorare le prestazioni operative.

L’impianto pilota è in grado di produrre 5 kg/h di combustibile rinnovabile quale, ad esempio, metanolo, dimetiletere e metano. Il processo produttivo è caratterizzato da reazioni particolarmente esotermiche, per cui uno degli aspetti più critici è rappresentato dalla gestione della temperatura. L’impianto è dotato di un sistema basato su un design a doppia camicia che utilizza olio diatermico e inizialmente sono stati riscontrati alcuni limiti in termini di velocità di riscaldamento e raggiungimento di temperature operative elevate - superiori a 400 °C - necessarie per l’attivazione dei catalizzatori dedicati al processo in esame.

A tal proposito, un intervento effettuato è stato finalizzato all’ottimizzazione del sistema di riscaldamento esistente per migliorarne l’isolamento termico. Ulteriori modifiche impiantistiche hanno riguardato inoltre il potenziamento dei sistemi di riscaldamento delle linee gas e l’installazione di una nuova torcia dedicata, in modo da rendere l’impianto completamente indipendente dalle altre unità presenti nella piattaforma pilota. La localizzazione all’esterno del prototipo ha richiesto particolari accorgimenti: si è provveduto pertanto anche alla realizzazione di apposite pannellature laterali per la protezione dell’impianto dagli agenti atmosferici.

In parallelo, è stata esplorata la possibilità di sintetizzare e testare catalizzatori ottimizzati per il processo di produzione del metanolo mediante idrogenazione catalitica della CO₂ sul reattore P2G/L. Nello specifico, è stato definito il layout dell’impianto, è stata selezionata l’opportuna metodica di preparazione che fosse semplice e riproducibile per effettuare lo scale-up del catalizzatore - attività oggetto della LA 2.24 - ed è stato eseguito uno screening tra catalizzatori di diversa composizione chimica al fine di selezionare quello avente la performance catalitica più promettente. In particolare, ci si è avvalsi del supporto del Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche dell’Università di Cagliari per la sintesi e la caratterizzazione chimico-fisica dei sistemi catalitici, condotte nella linea di attività “LA 2.25: Power to fuels: sintesi e caratterizzazione chimico-fisica di nuovi materiali”.

In aggiunta, la presente linea di ricerca ha previsto lo studio della possibile integrazione dell’impianto con un’unità di cattura della CO₂ direttamente dall’aria (DAC) e con un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno verde, che fossero in grado di approvvigionare al reattore, rispettivamente, 14,3 kg/h di CO₂ e 2,6 kg/h di H₂, prendendo in esame per la produzione dell’idrogeno, sia un elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEM) sia uno a membrana a scambio anionico (AEM). Tale studio è stato completato con l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment LCA) delle diverse configurazioni impiantistiche eseguita con il supporto del software SimaPro con la metodologia ReCiPe 2016 Midpoint (H), seguendo un approccio “cradle-to-gate” e includendo nell’analisi anche la costruzione degli impianti.

Nell’ambito della linea “LA 2.24 Power to fuels: sviluppo sperimentale di nuovi materiali e processi” si è proceduto alla sperimentazione sull’impianto pilota P2G/L e allo svolgimento, in parallelo, di estensive campagne sperimentali a supporto sull’impianto bench‑scale di conversione catalitica della CO₂ in combustibili liquidi (X-to-Liquids o XtL) presente nei laboratori Sotacarbo. Su quest’ultimo, nello specifico, sono state condotte le prove sperimentali di idrogenazione catalitica della CO₂, con riferimento alla produzione di metanolo e di metano.

Per quel che concerne il processo di sintesi del metanolo, si è proceduto, in primo luogo, alla granulazione del catalizzatore – precedentemente studiato e selezionato nella linea di attività LA 2.23 e preparato nella quantità dell’ordine del chilogrammo nella linea di attività LA 2.25. Conseguentemente, sono stati effettuati dei test catalitici preliminari sull’impianto da banco e la campagna sperimentale è stata estesa anche all’impianto pilota P2G/L. La sperimentazione è stata condotta anche su materiali alternativi preparati ad-hoc utilizzando differenti metodi di sintesi. In particolare, sono stati testati sei nuovi catalizzatori preparati attraverso la tecnica della “self‑combustion”, le cui prestazioni catalitiche sono state messe a confronto con un catalizzatore ottenuto con la tecnica convenzionale di coprecipitazione.

Per quanto riguarda invece il processo di sintesi del metano, la ricerca è stata condotta con il duplice obiettivo di verificare il comportamento dell’impianto XtL nei confronti del calore generato dalla reazione esotermica di metanazione e di sviluppare nuovi materiali che consentissero di ottenere buone prestazioni anche in condizioni operative meno severe (temperature inferiori a 300 °C). A tal scopo, la sperimentazione ha previsto lo studio in un ampio intervallo di condizioni operative, in termini di temperatura, pressione e velocità spaziale, valutando le prestazioni di un catalizzatore commerciale a base di nichel nei confronti del processo di conversione della CO₂ a metano e sondando le condizioni limite.

Invece, il fulcro delle campagne sperimentali condotte nell’impianto pilota P2G/L è stato un attento studio volto a individuare la migliore strategia di riempimento del catalizzatore all’interno del reattore nella gestione di processi altamente esotermici. A tal fine, sono state investigate due tipologie differenti di caricamento, una che coinvolge una distribuzione omogenea del catalizzatore e una con caricamento multistrato. L’effetto della disposizione del letto catalitico è stato investigato anche in merito alla massimizzazione dell’attività e della produzione del dimetiletere, intendendolo come “distanza” tra le due funzioni individuali che il catalizzatore deve possedere per questo processo: funzione idrogenante per la formazione del metanolo e funzione disidratante per la sua trasformazione a DME.

Tutti i test hanno previsto l’impiego di un catalizzatore commerciale ma è stato successivamente valutato anche il comportamento catalitico del catalizzatore oggetto di scale-up - precedentemente selezionato nella LA 2.23 sulla base delle prestazioni in termini di conversione della CO₂, selettività al metanolo e stabilità - di cui sono stati sintetizzati circa 900 g in forma di polvere. Quest’ultimo è stato in principio testato su scala di laboratorio per poi procedere allo studio per la realizzazione dei pellet, alla caratterizzazione microstrutturale post-formatura e all’approfondimento dello studio delle capacità catalitiche del materiale formato. 

Infine, l’attività di ricerca è stata arricchita dallo studio, progettazione, realizzazione e installazione di un impianto Power-to-Hydrogen di piccola taglia, integrato all’impianto da banco XtL. Il sistema customizzato è costituito da un elettrolizzatore PEM (Proton Exchange Membrane) e un elettrolizzatore AEM (Anion Exchange Membrane) opportunamente integrati valutando la possibilità di realizzare un’unica configurazione di impianto (Balance of Plant, BOP) per entrambe le tecnologie di elettrolisi. Tale sistema permetterà di svolgere un’attività sperimentale sull’analisi del processo di produzione di idrogeno verde, confrontando le due tecnologie di elettrolisi proposte e sullo studio delle interazioni tra la produzione di idrogeno verde e la sua successiva conversione in combustibili rinnovabili nell’impianto XtL.

Le azioni di disseminazione e comunicazione dei risultati portate avanti da Sotacarbo nel corso del triennio sono state ideate per promuovere il progetto attraverso molteplici canali e diffondere il senso della ricerca condotta, ponendo attenzione ad agevolare l’apprezzamento degli obiettivi perseguiti prima ancora della comprensione delle specifiche tecnologie sviluppate nell’ambito del progetto.

L’obiettivo generale di queste azioni è stato perciò quello di generare consenso, interesse e attenzione attorno alle iniziative di ricerca finanziate. Questa strategia ha consentito di massimizzare l’impatto dei risultati ottenuti a livello internazionale, attraverso la condivisione dei risultati nei congressi scientifici e su riviste specializzate, assicurando al tempo stesso l’allineamento delle attività di ricerca del progetto con il rapido avanzamento delle tecnologie dell’idrogeno a livello nazionale ed internazionale. Altre iniziative sono state invece rivolte a un pubblico più generalista e dunque alla cittadinanza, locale e non, in occasione di eventi divulgativi (es. incontri con le scuole, fiere ecc.). Tra i destinatari raggiunti dalle attività effettuate ci sono, infine, gli utenti del sito aziendale e della rivista ONE.

Il sito aziendale (www.sotacarbo.it) raccoglie articoli divulgativi e di approfondimento sui temi della ricerca condotta, a beneficio di un pubblico ampio e non necessariamente scientifico, con l’obiettivo di presentare le attività svolte e inquadrarle in un contesto più generale. Per questo motivo ogni progetto di ricerca, oltre ad avere una sezione dedicata di presentazione dei temi e degli obiettivi previsti, viene documentato tramite articoli di approfondimento e di illustrazione dei risultati ottenuti. I vari contributi sono poi rilanciati anche attraverso i canali social aziendali (Facebook, LinkedIn, Instagram ecc.). Nel corso del presente triennio sono stati pubblicati circa 15 articoli a carattere divulgativo sui progressi del progetto e sui temi legati alle tecnologie dell’idrogeno.

Oltre al sito aziendale, Sotacarbo pubblica la rivista online ONE (con cadenza trimestrale) che offre articoli originali e una selezione tratta da testate esterne su temi quali le politiche energetiche, i cambiamenti climatici, l’ambiente e l’innovazione, i combustibili alternativi a quelli fossili, la geotermia, il nucleare e le rinnovabili. ONE, acronimo di Only Natural Energy, riassume il concetto che tutte le sorgenti di energia sono naturali: quel che le rende più o meno compatibili con l’ambiente sono le modalità del loro utilizzo e sfruttamento. In questo contesto generale, sono oltre 30 i contributi che, nel corso del triennio 2022-2024, hanno riguardato le tematiche connesse con il Progetto Integrato “Tecnologie dell’Idrogeno”. 

Sotacarbo ha poi partecipato ai workshop periodici organizzati con gli affidatari del progetto RdS (ENEA, RSE, CNR), che hanno costituito i principali momenti di coordinamento e allineamento sulle attività del progetto, fondamentali per la verifica dello stato di avanzamento e per la definizione di soluzioni o contromisure nel caso di deviazioni dal programma di lavoro. Nello specifico si sono svolti i seguenti workshop: 
- 25-26 giugno 2023, workshop intermedio (18 mesi) presso sede CNR (Centro Nazionale delle Ricerche) a Messina;
- 13-14 dicembre 2023, workshop intermedio (24 mesi) presso sede RSE (Ricerca sul Sistema Energetico) a Milano;
- 14 maggio 2024, visita ispettiva e presentazione attività del 1° SAL presso sede Sotacarbo (Carbonia);
- 19-20 dicembre 2024, workshop conclusivo del progetto (36 mesi) presso sede ENEA a Casaccia (Roma).

Nell’ambito del progetto triennale, i ricercatori Sotacarbo hanno partecipato attivamente ai seguenti eventi:

• Convegno nazionale della Ricerca di Sistema Elettrico: Diffusione dei risultati e prospettive della ricerca di sistema elettrico (Roma 22.06.2022);
  
  
• 39th Annual International Pittsburgh Coal Conference, nella quale sono stati presentati i risultati dell’analisi tecnico-economica “Renewable Methanol Production from Carbon Dioxide and Green Hydrogen: A Techno-Economic Assessment” sulle tecnologie Power-to-fuels (in collaborazione con l’Università di Cagliari) (19-22.09.2022);
  
  
• 20th ICCDU2023 con la presentazione di un poster dal titolo “Pilot-scale development of e-fuels synthesis for hard-to-abate applications” in cui viene descritta la configurazione dell’impianto e una descrizione dei risultati sperimentali preliminari (Bari 26-29.06.2023);
  
  
• VI Congresso Internazionale Sardegna “Isola dell’Energia” per approfondire le tematiche riguardanti le tecnologie per la decarbonizzazione della Sardegna (Cagliari 21-22.09.2023);
  
  
• HESE - Hydrogen Energy Summit&Expo, la prima e principale iniziativa italiana dedicata alle nuove tecnologie per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno (Bologna 11-13.10.2023);

• World Electrolysis Congress, organizzato dal World Hydrogen Leaders,nel quale sono state approfondite le tematiche riguardanti le tecnologie di elettrolisi e del mercato degli elettrolizzatori, per effettuare le valutazioni tecniche ed economiche sugli impianti di produzione di idrogeno e di combustibili liquidi da esso derivati (Düsseldorf 3-6.03.2024);

• RENMAD H₂ Italia 2024, sulle tecnologie dell’idrogeno e le possibilità di innovazione (Roma 11-12.06.2024);

• 7th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT), organizzata dalle IEA, sulle prospettive di sviluppo delle tecnologie CCUS, con oltre mille esperti provenienti da tutto il mondo (Calgary 20-24.10.2024).

Le attività di ricerca del Piano Triennale 2022-2024 del Progetto Integrato 1.3 Tecnologie dell'Idrogeno sono terminate formalmente il 31 dicembre 2024. Nei mesi successivi affidatari e beneficiari hanno redatto la reportistica tecnica ed economica in vista della valutazione delle attività svolte a cui seguirà la rendicontazione.

Sotacarbo parteciperà anche al nuovo progetto triennale della Ricerca di Sistema Elettrico 2025-2027 con attività di ricerca che si pongono in continuità con quelle già avviate nel triennio precedente. AO/CM/LP