Una breve storia del syngas: dal gas di città al Fischer-Tropsch

Il syngas (abbreviazione di "synthesis gas" o "synthetic gas") ha una storia che precede di decenni l'era del petrolio. Nella seconda metà dell'800, le città europee e nordamericane erano illuminate e riscaldate dal "gas di città" (town gas), ottenuto dalla carbonizzazione del carbone. Questa miscela di H₂, CO e CH₄ veniva distribuita attraverso reti di tubazioni in ferro, alimentando lampioni, forni domestici e i primi motori a gas. Berlino, Parigi, Londra, Milano: tutte avevano le loro officine del gas, con gasometri cilindrici a cupola mobile che dominavano i panorami industriali dell'epoca.

Nel XX secolo, il processo Fischer-Tropsch, sviluppato in Germania negli anni '20, portò la sintesi del syngas (prodotto dalla gassificazione del carbone) a un livello industriale straordinario: carburanti sintetici per aerei e veicoli militari durante la Seconda Guerra Mondiale. Oggi, la stessa reazione chimica viene studiata intensamente come vettore per la produzione di combustibili sintetici rinnovabili (e-fuels) da idrogeno green e CO₂ catturata.

Nel BioGS-1.0, il syngas è il vettore energetico intermedio che trasforma biomassa solida in energia elettrica e calore. Non viene sintetizzato per produrre carburanti, ma utilizzato direttamente come combustibile per il bruciatore esterno del motore Stirling.

Syngas vs biogas: due gas, due processi, due utilizzi

I termini "syngas" e "biogas" vengono spesso confusi, ma descrivono prodotti e processi profondamente diversi:

  • Biogas: prodotto dalla digestione anaerobica di biomasse organiche (reflui zootecnici, FORSU, fanghi). È una miscela di CH₄ (50-70%) e CO₂ (30-50%), con tracce di H₂S. Il processo è biologico, a bassa temperatura (35-55°C), richiede settimane. Il biogas contiene poca energia per Nm³ rispetto al gas naturale.
  • Syngas: prodotto dalla gassificazione termochimica di biomassa secca. È una miscela di CO, H₂, CH₄ e N₂, con potere calorifico inferiore 4-6 MJ/Nm³. Il processo è termochimico, ad alta temperatura (700-900°C), richiede pochi secondi. Non contiene CO₂ in quantità significative (viene convertita in CO nella zona di riduzione).

Il syngas brucia con una fiamma calda e stabile, adatta ad alimentare bruciatori industriali e motori a gas. Il biogas, per la sua composizione più diluita, richiede in genere upgrading (rimozione CO₂) per raggiungere la qualità del biometano da immettere in rete.

Composizione del syngas prodotto dal BioGS-1.0

La composizione del syngas in uscita dal gassificatore del BioGS-1.0, misurata con spettroscopia infrarossa in continuo, varia in un range tipico (sul secco, dopo filtrazione):

  • CO (monossido di carbonio): 15-19% vol. - principale portatore di energia, prodotto nelle reazioni di riduzione
  • H₂ (idrogeno): 13-16% vol. - alto potere calorifico (285 kJ/mol), prodotto dalla reazione water-gas e dalla decomposizione dell'emicellulosa
  • CH₄ (metano): 4-6% vol. - presente anche dopo la zona di riduzione, contribute al potere calorifico totale
  • CO₂ (anidride carbonica): 14-17% vol. - prodotto delle reazioni di ossidazione parziale, diluisce il syngas senza contribuire al potere calorifico
  • N₂ (azoto): bilanciamento - proveniente dall'aria di processo; è il principale diluente del syngas da gassificazione in aria (vs. gassificazione in ossigeno puro, che produce syngas a più alto potere calorifico ma richiede impianti molto più costosi)

Il potere calorifico inferiore (LHV) del syngas secco prodotto è tipicamente 4,5-5,5 MJ/Nm³, contro i 36 MJ/Nm³ del gas naturale.

Il problema del tar e la soluzione downdraft

Il principale problema tecnico nella gassificazione della biomassa per applicazioni di microcogenerazione non è la composizione del syngas in termini di CO, H₂ e CH₄, il vero problema è il tar: una miscela complessa di idrocarburi aromatici policiclici condensabili (naftalene, antracene, benzene, fenantrene e decine di altri composti) che si formano durante la pirolisi della biomassa e accompagnano il syngas come vapori ad alta temperatura.

Il tar non è semplicemente un "inquinante del gas": è un vettore di energia che, se non gestito correttamente, condensa sulle superfici fredde del sistema formando depositi catramosi che ostruiscono le tubazioni, imbrattano pareti metalliche e bloccano gli organi in movimento. Il problema del tar è storicamente la causa principale di fallimento dei sistemi di gassificazione di piccola taglia, che riescono a funzionare in laboratorio ma non resistono alle condizioni operative di un impianto in ambiente reale.

La soluzione adottata nel BioGS-1.0 è multipla:

  • Geometria downdraft: il syngas attraversa la zona di ossidazione (700-1000°C) dove il tar viene crackato termicamente. L'efficienza di cracking termico del tar in geometria downdraft riduce significativamente la concentrazione di tar, da 50-150 g/Nm³ (updraft) a 0,5-5 g/Nm³.
  • Elevato tempo di permanenza del gas nel reattore: il syngas resta in condizioni di alta temperatura (700–1000 °C) per un periodo di tempo esteso (alcuni secondi). Ciò permette una maggiore efficacia del cracking termico del tar nonché la completa evoluzione delle reazioni di riduzione (Boudouard: C + CO₂ → 2CO e Water-gas: C + H₂O → CO + H₂).
  • Combustione esterna: anche con un buon cracking, piccole quantità di tar e particolato possono restare nel syngas. Adottando il motore Stirling, la combustione del syngas avviene in modo continuo ed esternamente al motore stesso trasformando un limite tecnologico in un contributo energetico utile. Il bruciatore può in tal modo essere ottimizzato per gestire gas a basso potere calorifico (LHV), garantire miscelazione aria-combustibile ottimale e mantenere una fiamma stabile, continua e ben ancorata.

Il syngas come vettore energetico del futuro

Nel più ampio contesto della transizione energetica, il syngas da biomassa occupa una posizione strategica unica: è l'unico vettore energetico gassoso rinnovabile producibile localmente, senza infrastruttura di stoccaggio dell'idrogeno e senza dipendenza da reti di distribuzione. È producibile da residui agricoli e forestali che altrimenti si decomporrebbero o verrebbero bruciati in campo, con emissioni non controllate.

La ricerca attuale su scale di potenza superiori (1-10 MWe) sta esplorando l'utilizzo del syngas da biomassa per la sintesi di metanolo, ammoniaca e carburanti sintetici (power-to-X) tramite il processo Fischer-Tropsch. A queste scale, il syngas diventa un elemento chiave dell'industria chimica rinnovabile.

Il BioGS-1.0 si inserisce in questo scenario come il tassello di scala micro, distribuito, locale, zero-infrastruttura, che permette di valorizzare biomasse residuali diffuse sul territorio.