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Il futuro del carbone? Energia no, materiali forse

Non più combustibile per la produzione di energia elettrica ma materia prima per la sintesi di composti chimici e di materiali sofisticati con un elevato impatto economico. È questa la nuova vita che viene offerta al carbone, secondo il report CCC/311 (giugno 2021) dal titolo “Advances in non-energy products from coal”.

La data di scadenza delle centrali di produzione di energia elettrica alimentate a carbone è ormai scritta nero su bianco in tutto il mondo. L’utilizzo del carbone nella produzione di beni specifici può contribuire significativamente alla tanto auspicata transizione energetica. Come? L’esempio è presto fatto: i veicoli a combustione interna saranno sostituiti da quelli alimentati da energia elettrica, parzialmente o totalmente prodotta da fonti rinnovabili, e molti dei loro componenti, incluse le batterie, possono essere ottenuti dalla trasformazione del carbone.

Questo utilizzo alternativo offre nuove possibilità ai paesi in forte sviluppo economico che dispongono di ingenti riserve di carbone, come Cina, India e Indonesia. Tra i prodotti ottenibili dal carbone si trovano non solo combustibili alternativi, come metanolo, dimetiletere o gas naturale, ma anche fibre di carbonio e nanomateriali come il grafene.

Figura 1. Materiali chimici a base di carbone (Foto credit: Wikipedia)

Metanolo, dimetiletere e gas

Attualmente quasi la totalità del metanolo prodotto al mondo deriva dal syngas ottenuto dalla gasificazione del carbone. Il metanolo può essere utilizzato come combustibile per alimentare autovetture oppure può essere trasformato in dimetiletere o convertito in polimeri attraverso il processo MTO (methanol to olefyns).

In India, nella città di Dankuni, è in corso l’installazione di un impianto per la produzione di metanolo da 600 kt/anno che verrà miscelato con la benzina (in rapporto 15:85) e usato come combustibile nelle autovetture.

Altri prodotti derivati dal carbone interessanti per l’economia sono il Pvc (polivinilcloruro), acido tereftalico (Pta) e vari polietilentereftalati (Pet, stirene, aromatici). Grazie alla modernizzazione dei sistemi di riscaldamento domestico, la domanda di gas naturale in Cina è in costante crescita. Si stima che la produzione di gas dal carbone passerà dai 6,5 Mt/y del 2021 ai 100 Mt/y prima del 2024, rendendo la Cina non totalmente dipendente dalla Russia per la fornitura di gas naturale.

Le fibre di carbonio

La strada più promettente ed economica per sintetizzare e produrre fibre di carbonio dal carbone è la distillazione del tar. L’utilizzo di questo materiale è in costante crescita e trova applicazione in diversi settori. Nei trasporti aerei viene usato in sostituzione ai metalli ottenuti per fusione, dove sono richiesti materiali leggeri e resistenti. Nell’industria delle costruzioni, in costante ricerca di materie prime, in sostituzione ai materiali ottenuti dalla produzione di cemento, considerata la più grande fonte di emissione di CO2. Le fibre di carbonio offrono i vantaggi di un’elevata inerzia chimica, migliori proprietà chimico-fisiche e strutturali, oltre ad avere ottime proprietà isolanti.

Tra i materiali più significativi prodotti dalla distillazione del carbone vi è il carbon black, aggiunto negli pneumatici delle automobili, negli inchiostri, nei rivestimenti e nella plastica.

Nanomateriali

Tra i nanomateriali, c’è particolare interesse per il grafene, una forma planare del carbonio con proprietà rivoluzionarie. Tra gli utilizzi più interessanti del grafene vanno segnalati i memresistori, dispositivi di memoria non dipendenti dalla corrente, e i rivestimenti di lenti a contatto che permettono di vedere nella regione visibile dello spettro elettromagnetico. Ulteriori applicazioni prevedono l’aggiunta del grafene nel calcestruzzo, per la produzione del concrene, un materiale con proprietà meccaniche superiori ai materiali utilizzati convenzionalmente ma con un basso impatto sui gas a effetto serra.

Il grafene è anche utilizzato nella stabilizzazione degli elettrodi delle batterie al litio. La conduttività e l’area superficiale tipiche del grafene contribuiscono al miglioramento delle performance e la sua applicazione è vista come una possibile strada verso le ricariche rapide delle batterie.

Estrazione di metalli rari

I minerali contenuti nel carbone possono essere fonte di elementi appartenenti alle terre rare (Ree), elementi importanti nell’ingegneria aerospaziale, nelle energie rinnovabili e nel settore del trasporto elettrico. Nuove tecniche di estrazione dai rifiuti delle miniere di carbone offrono una valida strategia nella gestione dei rifiuti e nel recupero di vecchie miniere di carbone.

Germanio e magnesio sono già facilmente estratti dalle fly ash derivanti dal carbone. Lo stesso procedimento può essere applicato al carbone ad elevato contenuto di minerali di terre rare.

L’estrazione dei Ree dai fanghi acidi di drenaggio è di particolare interesse come tecnologia potenzialmente applicabile nella purificazione di acque contaminate in miniera e contemporaneamente nell’ottenimento di materie prime da cui estrarre Ree.

La lignite come fertilizzante

L’uso di lignite in agricoltura, sia parzialmente ossidata che tal quale, può contrastare il deterioramento della qualità del suolo causata della crescente domanda di cibo. L’utilizzo della lignite come fertilizzante rappresenta un’importante alternativa al preoccupante abuso di fertilizzanti convenzionali a base di urea, essa stessa prodotta dalla gasificazione del carbone. L’utilizzo della lignite eviterebbe i pericoli ambientali causati dall’utilizzo dei fertilizzanti convenzionali, aspetto che oltre a evidenziarne la sostenibilità ambientale ne incrementa parecchio il potenziale commerciale.

Conclusioni

L’industria del carbone è davanti a un bivio chiamato “coal transition”: da un lato la strada, già segnata, verso la chiusura delle centrali elettriche a carbone, dall’altro quella indirizzata alla produzione di prodotti dal carbone, indispensabili per la vita nel XXI secolo. Quest’ultima rappresenta l’alternativa più credibile al completo abbandono. Il carbone, grazie al suo significativo contenuto di carbonio, è una materia prima potenzialmente rivoluzionaria nel settore della scienza dei materiali e l’abbassamento dei prezzi del carbone sta rendendo il suo impiego vantaggioso.

Tuttavia, anche in questo scenario bisogna fare i conti con le emissioni di CO2. I composti chimici derivanti dalla gasificazione del carbone o dalla sua trasformazione rilasciano una quantità di CO2 per tonnellata di materia prima utilizzata da 3 a 6 volte maggiore rispetto a quelli ottenuti da petrolio o gas. Questo fenomeno è dovuto alle perdite necessarie per aggiustare il rapporto idrogeno e carbonio necessario per la produzione dei materiali desiderati (metanolo, polimeri, etc..).

Per dare nuova vita al carbone su larga scala sono necessarie non solo tecnologie che permettano di ottenere prodotti a prezzi competitivi ma anche tecnologie di cattura della CO2 che consentano di rientrare negli accordi internazionali di riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. SLai

CCC/311

Giugno 2021

Ian Reid


Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.