Il riscaldamento globale causato dalle emissioni di gas serra ha riscosso negli ultimi anni una maggiore rilevanza sia dal punto di vista ambientale che energetico. Tra questi gas, l’anidride carbonica (CO₂) contribuisce per più del 60% al mutamento climatico a causa delle enormi quantità emesse. Per l’ottenimento di una significativa riduzione di tali emissioni, una delle strategie più promettenti è quella di produrre energia da fonti rinnovabili. E, a differenza delle fonti solare ed eolica, che non sono programmabili, le biomasse possono rappresentare una soluzione particolarmente efficace perché possono essere gestite a seconda delle specifiche esigenze della rete. E se di per sé la generazione elettrica da biomasse ha un impatto pressoché nullo sul ciclo del carbonio, la sua integrazione con sistemi di cattura e riutilizzo o confinamento della CO₂ (attraverso l’ossi-combustione, anche parziale, e la separazione dell’anidride carbomica) può consentire di chiudere addirittura in negativo il bilancio complessivo.

Le analisi termogravimetriche di caratterizzazione cinetica dei combustibili costituiscono uno strumento essenziale per lo studio di queste applicazioni. Nello specifico, nel corso del progetto è stata presta particolare attenzione ai combustibili di origine lignocellulosica e micro-algale nei regimi operativi di pirolisi, combustione in aria, ossi-combustione parziale e ossi-combustione totale.

L’analisi termogravimetrica non isotermica (TGA) e l’utilizzo di modelli cinetici specifici consentono, in maniera semplice, poco dispendiosa ma efficace, di trovare l’approccio migliore per la conversione energetica dei combustibili. La loro caratterizzazione cinetica è di importanza strategica per determinare le loro prestazioni durante la pirolisi, la gassificazione e la combustione (con aria o ossigeno). Si ottiene così una valutazione preliminare a basso costo dell’applicabilità di processi di conversione termochimica per combustibili di basso rango, con informazioni preziose anche per la messa a punto dei modelli di simulazione dei sistemi di conversione.

L’attività sperimentale condotta da Sotacarbo riguarda lo studio di combustibili fossili (carbone ungherese e carbone Sulcis), di origine lignocellulosica (eucaliptus, pino, cipresso), algale (Sargassum Muticum) e micro-algale (Nannochloropsis a Tetraselmis) nei regimi operativi di pirolisi, combustione in aria (air-blown combustion), ossi-combustione parziale (partial oxy-combustion) e ossi‑combustione totale (full oxy-combustion).

Tutte le prove sono state condotte in un analizzatore termogravimetrico TGA/DSC 3+ della Mettler Toledo utilizzando un flusso di azoto ( per lo studio del processo di pirolisi, un flusso di aria (21/79% di O₂/N₂) per il processo air-blown combustion, e flussi di aria arricchita in ossigeno con il 42% e il 95% di O₂ rispettivamente per il processo partial oxy-combustion e full oxy-combustion.

La caratterizzazione termogravimetrica delle biomasse e la determinazione dell’energia di attivazione in regime di pirolisi, combustione e ossicombustione parziale e totale, è stata ottenuta utilizzando i metodi model-free di Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) e Starink. Successivamente l’attività si è concentrata sulla determinazione del meccanismo di reazione dell’intero processo (approccio single-step) e di ciascun pseudo-componente di cui è costituita la biomassa, ossia carboidrati, proteine, lipidi e bio-char (approccio multi-step). L’obiettivo è quello di determinare la tripletta cinetica – l’energia di attivazione E_a, il fattore pre-esponenziale A e il modello di reazione f(α) – per descrivere il comportamento cinetico nei diversi regimi reattivi. Il laboratorio di analisi è inoltre equipaggiato con un sistema GC/MS (gas cromatografia con massa) per la caratterizzazione dei gas emessi nei test condotti nell’analizzatore TGA/DSC 3+.

Le attività sperimentali sulle alghe e le microalghe sono state condotte in collaborazione con la Heriot-Watt University di Edimburgo e con University of Portsmouth, entrambe del Regno Unito. La sperimentazione sulle biomasse legnose è invece effettuata nell’ambito di una collaborazione con lo U.S. Department of Energy – National Energy Technology Laboratory (Stati Uniti) finalizzata alla messa a punto di modelli di simulazione di processi di gassificazione.