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Produzione durevole di combustibili liquidi da fonti nucleari e rinnovabili in una economia neutra al carbonio

Nel presente lavoro è analizzato il ruolo che le fonti nucleari e rinnovabili possono avere nella produzione di metanolo (MeOH), materia di base per produrre materiali artificiali, come gli idrocarburi, i combustibili liquidi sintetici, i prodotti petrolchimici e farmaceutici. Lo studio propone di utilizzare le sinergie tra le fonti primarie di energia (biomasse, combustibili fossili, energia nucleare ed energie rinnovabili) allo scopo di garantire sia sicurezza e efficienza energetica che avviare la transizione a una economia neutra al carbonio.

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La Termotecnica, ottobre 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 56 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 Sistemi Energetici INTRODUZIONE
L'industria dell'energia di fronte a due sfide per assicurare uno
sviluppo durevole: la prima riguarda il surriscaldamento globale e i
cambiamenti climatici, mentre la seconda concerne la sicurezza degli
approvvigionamenti e l'avvio di un'economia a bassa densit di car-
bonio. La transizione dolce dal petrolio come combustibile di base del
sistema di trasporto ad una economia neutra al carbonio possibile,
come propongono George Olah, premio Nobel per la chimica nel
1994, e i suoi collaboratori in The Methanol Economy [1-3]. L'offerta
mondiale di petrolio greggio leggero o convenzionale limitata e negli
ultimi anni, nonostante i moltissimi investimenti effettuati dalle principali
compagnie petrolifere, i risultati sono scarsi ed stato scoperto poco
petrolio (per di pi pesante) e moltissimo gas naturale [4, 5]. Il petrolio
e il gas naturale non convenzionale (tight oil and shale gas) richiedono
pi energia e producono maggiori emissioni di gas ad effetto serra per
la fabbricazione di combustibili liquidi rispetto al greggio convenzio-
nale. Nel 2013, l'energia consumata dai 28 Paesi dell'Unione Europea
(UE) stata di 1667 Mtep con una dipendenza di circa 53% e un costo
annuo di circa 400 miliardi di euro. I consumi energetici, a causa della
crisi economica hanno avuto un calo del 9%, passando dal valore di
picco di 1832 Mtep del 2006 a 1667 Mtep del 2013 [6].
La seconda sfida riguarda il riscaldamento globale, che secondo l'ac-
cordo della COP21 (Conference of Parties) di Parigi impegna a limitare
l'incremento sotto i 2 gradi Celsius (C) e di perseguire gli sforzi per
limitare l'incremento medio globale a 1,5 C al di sopra dei livelli pre-
industriali [7]. La Commissione Europea (CE) ha confermato che ridurr
la concentrazione di gas serra di almeno il 40% rispetto al 1990 entro
il 2030 e s'impegna a raggiungere l'obiettivo entro il 2050. Inoltre la
CE ha previsto una quota di energia rinnovabile non inferiore al 27%
ed un miglioramento dell'efficienza energetica di circa 27% rispetto
all'uso attuale [8]. L'energia si pone al centro di questa sfida, poich i
combustibili fossili contribuiscono con oltre l'80% dei consumi di ener- gia e il settore energetico rilascia circa i due terzi delle emissioni globali
a effetto serra. Nel 2013 le emissioni totali di gas serra nel settore
energetico nell'UE-28 sono aumentate di 1,4 % ed hanno raggiunto un
valore di circa 3400 Mt di CO 2, che dovrebbero essere dimezzate per raggiunger l'obiettivo di 1550 Mt di CO 2 nel 2030. Il settore energetico fondamentale per un'economia a bassa densit di carbonio, per ha
a disposizione solo tre principali fonti di energia primaria: combustibili
fossili, energia nucleare e energie rinnovabili. Queste fonti di energia
sono state storicamente considerate come forti competitori tra loro, ma
le sfide del settore energetico potranno essere vinte con una svolta sto-
rica, utilizzando le sinergie tra le fonti primarie per garantire sicurezza
degli approvvigionamenti energetici e compatibilit ambientale. In una
fase di transizione pi o meno lunga, i combustibili fossili rimarranno
ancora la nostra maggiore risorsa energetica e la materia prima per
produrre materiali artificiali, come i combustibili liquidi, le plastiche, i
vari prodotti petrolchimici e farmaceutici. Una maggiore offerta ener-
getica con carichi ambientali molto minori si fonda sullo sviluppo dell'
innovazione tecnologica, della ricerca scientifica e su un uso razionale
ed efficiente dell'energia, com' gi avvenuto con il passaggio dalla
legna al carbone e da questo al petrolio e successivamente con la sco-
perta dell'energia nucleare e l'utilizzo delle rinnovabili. Per esempio,
il processo di conversione del petrolio convenzionale in combustibile
liquido richiede quantit relativamente piccole di energia e rilascia
quantit limitate di gas a effetto serra, mentre il gas e il petrolio non
convenzionale richiedono molta pi energia e raddoppiano le emis-
sioni di gas serra, se valutate sull'intero ciclo di vita dei combustibili
liquidi, possono variare dal 150 al 250% rispetto al valore dell'uso
finale del combustibile [9]. Queste caratteristiche richiede l'apporto di
energia generata da fonte nucleare e rinnovabile al fine di garantire la
sicurezza degli approvvigionamenti, ridurre le emissioni e risparmiare
risorse non rinnovabili. Inoltre sono necessari ulteriori studi sulla cattura
e l'utilizzo del carbonio (CCU) e vanno intensificati gli sforzi in R&D di F. Oriolo Produzione durevole di combustibili liquidi da fonti nucleari
e rinnovabili in una economia neutra al carbonio
Nel presente lavoro analizzato il ruolo che le fonti nucleari e rinnovabili possono avere nella produzione di metanolo (MeOH), materia di base
per produrre materiali artificiali, come gli idrocarburi, i combustibili liquidi sintetici, i prodotti petrolchimici e farmaceutici. Lo studio propone di
utilizzare le sinergie tra le fonti primarie di energia (biomasse, combustibili fossili, energia nucleare ed energie rinnovabili) allo scopo di garantire
sia sicurezza e efficienza energetica che avviare la transizione a una economia neutra al carbonio. SUSTAINABLE PRODUCTION OF LIQUID FUELS FROM NUCLEAR AND RENEWABLE SOURCES IN A CARBON NEUTRAL ECONOMY
This study has investigated the potential capability that nuclear energy and renewable sources can play in the production of methanol (MeOH),
the basic material for producing artificial materials such as hydrocarbons, synthetic liquid fuels, petrochemicals and pharmaceuticals. The study
proposes the use of the synergy between the primary energy sources (biomass, fossil fuels, nuclear energy and renewable energy) to ensure both
safety and energy efficiency that begin the transition to a carbon neutral economy. Francesco Oriolo
Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Universit di Pisa Tecnica LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 57 Sistemi Energetici per rendere economicamente competitiva la conversione del diossido di
carbonio da rifiuto nocivo in materia prima per produrre combustibili
utili e rinnovabili [10,11].
Obiettivo principale di questo studio di valutare le prestazioni di un
sistema convenzionale per produrre MeOH e di un sistema ibrido, con
reattore nucleare incorporato. La produzione di metanolo dalla gassi-
ficazione del carbone e del gas naturale si basa sul processo classico
di gassificazione-sintesi (impianto convenzionale), mentre quello ibrido
consiste nello stesso impianto modificato e assemblato, incorporando
un reattore nucleare di piccola taglia (nucleare integrato o cogenera-
zione nucleare) che fornisce potenza e calore ad alta temperatura a
tutte le unit operative, inclusa quella per la produzione di idrogeno
mediante l'elettrolisi ad alta temperatura. A questo scopo vengono
anche descritti i principali reattori nucleari di piccola taglia e di IV Ge-
nerazione [12], che hanno gi raggiunto il livello dimostrativo e sono
maggiormente idonei per essere accoppiati al processo di produzione
di metanolo, mediante idrogenazione del diossido di carbonio. La
valutazione per entrambi i sistemi effettuata mediante indicatori di
produzione, ottenuti da bilanci di massa e energia per evidenziare la
sinergia tra la disponibilit di calore nucleare ad alta temperatura e la
materia prima (carbone e gas naturale) che alimenta il processo. Non
effettuata un'analisi dei costi, perch ancora prematura e dipendente
da diversi parametri, come il prezzo del carbonio, il costo dell'elettricit
e quello di produzione dell'idrogeno per elettrolisi ad alta temperatura
e mediante cicli termochimici [13,14]. GENERALIT SUI VETTORI ENERGETICI
L'idrogeno e il metanolo sono vettori energetici, in grado di immagaz-
zinare, trasportare l'energia e rilasciarla nel luogo di utilizzazione.
Essi sono caratterizzati dalla densit energetica, dalla facilit di
gestione e trasportabilit ai settori d'uso finale, spesso mediante ap-
posite reti. L'idrogeno considerato un combustibile pulito, poich in
sistemi di combustione con l'ossigeno puro produce solo acqua, con
zero inquinamento ambientale. Esso assai raro sulla Terra allo stato
elementare a causa della sua estrema volatilit e dell'alta reattivit
con l'ossigeno dell'atmosfera, mentre molto diffuso nel nostro pia-
neta sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali,
organismi animali e vegetali). Alcuni di questi composti immagazzi-
nano e trasportano molto bene l'energia e sono degli efficienti vettori
energetici: come il metanolo. Questo composto, liquido a temperatura
ambiente, facile da trasportare e immagazzinare, accumula molto
bene l'energia chimica. Nella visione di George Olah e dei suoi col-
leghi, il metanolo l'elemento centrale per realizzare un'economia
neutra al carbonio: 'The Methanol Economy' [3]. Questa economia
si basa sui progressi tecnologici della chimica del riciclo del diossido
di carbonio come materia prima e sull'utilizzo dell'idrogeno come
intermedio nel processo di sintesi catalitica. Il diossido da materiale
nocivo diventa materia prima per alimentare il processo, mentre
l'idrogeno se prodotto da fonte nucleare e/o rinnovabile diventa
l'intermedio indispensabile per la produzione rinnovabile di metanolo
e combustibili sintetici. Il metanolo (CH 3OH) il pi semplice alcool, ad alto numero di ottani (133 ottani), liquido, incolore; esso tossico
se ingerito ed considerato un veleno, per la sua tossicit para-
gonabile a quella della benzina e del gasolio. Pu essere prodotto in diversi modi: dalla gassificazione dal carbone (syngas medio: H 2 = 36,4, CO = 47,4 %, CO 2 = 12,2 %, impurit 2-3%), dal reforming
catalitico del gas naturale (metano) con vapor d'acqua (syngas medio:
H 2 = 61.1 %, CO = 35. %, CO2 = 2,6, impurit e residui di CH4 ' 2-3%), dalla conversione ossidativa del gas naturale e per idrogenazione del
diossido di carbonio (CO 2) o riciclo della CO2. Il processo di sintesi del metanolo avviene a basse temperature (250-300C) e alte pressioni (5-
20 MPa); l'apporto di calore al processo valutato secondo le seguenti
principali reazioni di sintesi: Le reazioni (1) e (2) oltre ad essere esotermiche, avvengono con ri-
duzione di volume: la reazione (1) favorita da catalizzatori a base
di rame, mentre la (2) richiede un maggiore consumo d'idrogeno e
formazione di vapor d'acqua che diluisce il sistema. Il gas naturale
(metano) oggigiorno la migliore materia prima per produrre idro-
geno a prezzo molto competitivo, secondo la seguente equazione di
decomposizione termica: La decomposizione termica del metano avviene in assenza d'aria e con
ragionevoli tassi di conversione a temperature di conversione superiore
a 800C. Il reforming catalitico con vapore d'acqua avviene su cataliz-
zatore a base di nichel, secondo la seguente reazione: La (4) una reazione endotermica, con un tasso di conversione di circa
70% a pressione moderata e temperatura di conversione tra 700C e
900C. Un altro metodo, noto come reforming a secco, usa il metano
in modo efficiente e lo fa reagire con il diossido di carbonio (CO 2): La reazione (5) opera a temperatura di 800-1000C ed usata per
una produzione industriale con un catalizzatore a base di nichel
(Ni/MgO, Ni/MgAl 2O4, etc.). In Fig.1 sono rappresentate mediante grossi blocchi le interazione tra fonti energetiche e vettori energetici
alla base di un'economia neutra al carbonio, chiamata 'The Metha-
nol Economy', in onore del premio Nobel George Olah. In base al
diagramma a blocchi di Fig. 1, i combustibili fossili sono usati come
materia prima per produrre i vettori energetici (H 2 e CH3OH), materiali artificiali e non sono usati per generare elettricit. Se si vuole anticipare
l'era del post-petrolio necessario sviluppare vie flessibili e sicure per
immagazzinare e distribuire l'energia da qualunque fonte primaria sia
generata, in modo da poter disporre da subito di combustibili sintetici,
rinnovabili e compatibili con l'ambiente in termini di emissioni di gas
serra. Il metanolo e il suo derivato, l'etere di-metilico (DME, CH 3OCH3), hanno alto numero di ottani e cetani, si prestano bene a essere miscelati
e a sostituire rispettivamente la benzina e il diesel. Il metanolo rispetto al
vettore idrogeno ha una maggiore densit di potenza e immagazzina
una maggiore energia chimica. Per avere un'idea quantitativa dell'e-
nergia immagazzinata dai vari combustibili confrontiamo la potenza
generata da un litro di benzina con lo stesso volume di metanolo e di
idrogeno liquido (senza tener conto dell'enorme quantit di energia (1) (2) (3) (4) (5) Tecnica 58 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 Sistemi Energetici necessaria alla liquefazione): -3,12 m3 d'idrogeno gassoso in condizioni normali; -4,13 litri d'idrogeno liquido; -2,71 litri di metanolo. La pi bassa densit di energia del metanolo compensata da una pi
alta efficienza nella combustione rispetto alla benzina; il metanolo, al
contrario dell'idrogeno facilmente trasportabile e pu essere distribu-
ito con le stesse infrastrutture esistenti per il petrolio. Il metanolo e il suo
derivato DME sono sia eccellenti combustibili per motori a combustione
interna e per celle a combustibile che materia prima per produrre idro-
carburi sintetici e loro derivati. I due vettori sono di grande interesse per
la mobilit sostenibile e differiscono, nei motori a combustione interna,
per i prodotti della combustione; con comburente idrogeno il prodotto
della reazione stechiometrica l'acqua, mentre per il metanolo il
diossido di carbonio. La combustione reale differente da quella stechiometrica e gli ossidi
di azoto (NOx), il particolato, gli incombusti, ecc. hanno un notevole
impatto ambientale, in questo caso il MeOH ha il grande vantaggio
di non produrre PM 10 [15]. Entrambi i vettori soddisfano i requisiti di sviluppo sostenibile, se sono prodotti mediante l'energia nucleare e le
rinnovabili, e possono contribuire a stabilizzare o ridurre le concen-
trazioni dei gas serra in atmosfera.
L'idrogeno per sue caratteristiche chimiche, per problemi di sicurezza
e di trasportabilit rimane poco appetibile come vettore energetico,
anche se rimane un intermedio necessario per la petrolchimica, la
produzione di metanolo e il riciclo per idrogenazione del diossido
di carbonio. La natura dell'idrogeno condiziona la sua produzione
e il suo consumo in sito, che cresce a tassi annui di 4-10%, come in-
termedio, nella fabbricazione di fertilizzanti, di combustibili sintetici,
dell'ammoniaca e ha un ruolo fondamentale nel riciclo del diossido di
carbonio e nella raffinazione dei prodotti petroliferi da greggio non
convenzionale.
La domanda mondiale di metanolo in rapida crescita ed passata
da 40milioni di tonnellate (Mt) del 2007 a circa 60,7Mt del 2013, con una previsione di oltre 109 Mt nel 2023. I suoi costi di produzione nel
2013 sono stati di 408 ' /t in UE contro i 135 ' in USA e i 105 ' in
Russia [16]. In Fig. 2 riportata non solo la domanda totale, ma anche
le aliquote usate nella chimica convenzionale e nel nuovo uso come
combustibile alternativo [17]. La produzione di MeOH potrebbe avere
un nuovo impulso con l'entrata in vigore del regolamento IMO 2010
per il controllo dell'inquinamento atmosferico delle navi, che prevede
per il 2020 combustibili con un tenore di zolfo inferiore a 0.5%.
Questa crescita ha come forza trainante la domanda di MeOH in Cina
[18] e il rilancio della sua produzione nel Nord America a seguito
dei bassi costi di estrazione dello shale gas. L'America del Nord da
importatore di metanolo diventer, nel 2017, un esportatore netto di
metanolo soprattutto verso la Cina, dove il consumo di metanolo pas-
ser dai 30 Mt del 2013 ai 63,5 nel 2023. L'Italia e l'UE rimangono importatori di MeOH per circa il 62% su un consumo previsto di 7,6
Mt/anno per il 2018. I prezzi del metanolo nelle varie regioni sono
fortemente dipendenti da quelli del gas naturale, con valori di 370-
450 '/t di MeOH in EU e di 325-414 '/t in Asia nel 2013. L'attuale
produzione di metanolo ottenuta mediante un uso pi efficiente dal
metano e con minore impatto ambientale rispetto agli altri combustibili
fossili, purtroppo oggigiorno la produzione rinnovabile di MeOH
una realt di nicchia. In Islanda gi in funzione l'impianto dedicato
a George Olah, che produce metanolo per sintesi della CO 2 di origine geotermica e di H 2, ottenuto per idrolisi con energie rinnovabili [19]. Esperienze analoghe sono programmate nei paesi scandinavi con
l'utilizzo di biomasse e in Germania, dove l'idrogeno viene prodotto
mediante l'elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM, Proton
Exchange Membrane), usando il surplus di elettricit da fonte eolica
[20]. In questo campo l'obiettivo prioritario rimane il riciclo del diossido
di carbonio per via chimica: il Prof Olah e un gruppo di colleghi della
'University of Southern California' hanno realizzato nel 2016, per la
prima volta nella storia, la cattura della CO 2 e la conversione diretta in MeOH, utilizzando idrogeno molecolare e un catalizzatore a base
di rutenio nello stesso recipiente di cattura [21]. In paesi dove la ge-
nerazione di energia elettrica poco costosa possibile gi ora una FIGURA 1 - Vettori energetici e flussi di energia
in 'The Methanol Economy'
FIGURA 2 - Domanda globale di metanolo Tecnica LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 59 Sistemi Energetici produzione competitiva di MeOH, per la transizione piena a un'eco-
nomia neutra al carbonio si realizzer con il riciclo della CO 2, con una industria competitiva per la produzione dell'idrogeno mediante i piccoli
reattori nucleari ad alta temperatura e sistemi solari a concentrazione
[22]. Le tecniche per produrre idrogeno a prezzi competitivi sono gi
disponibili e sperimentate a livello di prototipo: -produzione d'idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua (quella a fred- do gi competitiva, quando si usa l'elettricit poca costosa e nelle
ore lontano dai carichi di picco); -produzione d'idrogeno per elettrolisi ad alta temperatura; -produzione d'idrogeno mediante cicli termodinamici ( gi stato messo a punto e sperimentato il ciclo zolfo-iodio (S-I)), nelle condizioni
di accoppiamento con un HTGR di piccola taglia per la produzione
d'idrogeno. REATTORI NUCLEARI DI PICCOLA TAGLIA
(SNRS) PER SISTEMI IBRIDI
I reattori termici oggi in commercio sono ottimizzati per produrre elet-
tricit, con un rendimento di circa il 35-40% e un utilizzo di qualche
percento della materia prima. Gli SNRs di IV Generazione hanno come
obiettivo di progetto sia un uso efficiente del combustibile nucleare che
un pieno utilizzo del calore nucleare, in termini di potenza e di calore
ad alta temperatura per applicazioni industriali [23, 24]. Essi hanno
un ridotto costo capitale rispetto ai reattori in esercizio, possono essere
localizzati vicino all'utilizzo finale e in grado di generare energia elet-
trica e calore ad alta temperatura per l'industria di processo [25]. Gli
SNRs sono progettati su principi di sicurezza intrinseca, alta affidabilit
e modularit; essi saranno costruiti completamente in officina, con
componenti di qualit prodotti in tutto il mondo, di facile assemblaggio
e messa in opera, come gi avviene nel campo aeronautico. I primi
prototipi di SNR sono gi in esercizio, con ottimi risultati in termini sia
di sicurezza intrinseca e passiva che di efficienza nel bruciamento della
materia prima. I sistemi nucleari che si prestano a essere interfacciati,
in modo sicuro ed economico con l'industria petrolchimica e l'industria
di produzione di combustibili liquidi sintetici sono: i reattori a gas ad
alta temperatura (HTGR) e i reattori veloci refrigerati a metallo liquido
(LMFR) [12, 23, 26]. Questi reattori hanno scala temporale diversa,
gli HTGR sono gi in fase di applicazione industriale, mentre l'appli-
cazione industriale del solare a concentrazione e dei LMFR prevista
per dopo il 2040. Reattori a gas ad alta temperatura (HTGR)
Questa filiera di reattori rappresenta, oggigiorno, l'opzione pi pro-
mettente per accoppiare l'impianto nucleare a quello chimico di proces-
so. Come mostrato in Fig.3, gli elementi di combustibile di un HTGR
(High Temperature Gas-Cooled) sono costituiti da micro particelle di
combustibile, ciascuna ricoperta da tre strati di grafite pirolitica (TRI-
SO). La microsfera TRISO ha sperimentato alti livelli d'irraggiamento
o burn-up di 750 GWd/t senza danneggiamento e rilascio di prodotti
di fissione. Essa alla base di fabbricazione dei differenti tipi di com-
bustibile comunemente usati in questa filiera: -tipo a sfera o 'pebble': le microsfere di tipo TRISO sono incluse in matrice di grafite per formare elementi di combustibile sferico di circa
6 cm di diametro; -tipo blocco fisso prismatico o 'pin-in-block': le microsfere sono in- cluse in matrice di grafite sotto forma di aghi, allocati in appositi fori. In Tab. 1 sono riportate la potenza e la temperatura del refrigerante
in uscita dal nocciolo previste per i principali HTGRs. Il primo tipo di
elemento di combustibile usato nel reattore esperimentale HTR-10
(High Temperature Reactor), diventato critico in Cina nel 2000, con
una potenza termica di 10 MWth; mentre il secondo tipo di combusti-
bile usato nell'impianto HTTR (High-Temperature Test Reactor), con
una potenza di 30 MWth, che entrato in funzione in Giappone nel
1998. I reattori HTR e HTTR sono refrigerati a elio, con temperature in
uscita dal nocciolo tra 700 e 950 C e sono finalizzati allo studio della
cogenerazione nucleare. Entrambi i reattori hanno funzionato per anni
a piena potenza e hanno fornito know-how sul comportamento dei
materiali soggetti ad alto irraggiamento ed alta temperatura; inoltre
hanno mostrato alta affidabilit nel produrre elettricit e calore ad
alta temperatura. I risultati sperimentali delle matrici di prove hanno
evidenziato le ottime caratteristiche di sicurezza intrinseca, anche a
sequenze incidentali severe, simili all'incidente di Fukushima, dove il
combustibile non ha subito alcun degrado e non ha rilasciato prodotti
di fissione gassosi. Questi ottimi risultati e le informazioni di esercizio
sono alla base della progettazione di questi reattori di piccole-medie
dimensioni. L'impianto HT-10 un HTGR sperimentale, modulare, con
elemento di combustibile di tipo 'pebble', con sfere di 6 cm di diametro
e un nocciolo da 27000 sfere di combustibile, refrigerate ad elio, con
temperatura del nocciolo di circa 700C. Sull'esperienza operativa
dell'impianto HT-10 si basata la progettazione del reattore HTR-
PM,che in fase di costruzione a Shidaowan. Detta centrale equipag- giata con due reattori gemelli, il cui allacciamento alla rete previsto
nel 2017 [12,13] ed considerato un impianto pilota con lo scopo di
dimostrare l'affidabilit e competitivit economica del sistema nucleare
integrato ad un impianto chimico per la gassificazione, liquefazione del
carbone e la sintesi del metanolo. La Cina gi consuma benzina M85
(85% in volume di MeOH) e pensa di ridurre notevolmente l'impatto
ambientale, utilizzando la potenza e il calore a alta temperatura pro-
dotto dai reattori HTR-PM nel processo di gassificazione del carbone e
di sintesi del MeOH e suoi derivati.
Il reattore giapponese HTTR ha elementi di combustibile di tipo a blocchi FIGURA 3 - Combustibile nucleare di tipo TRISO Tecnica 60 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 Sistemi Energetici prismatici, refrigerati a elio, con temperatura di uscita dal nocciolo tra
700 e 950C. Il Giappone, oltre ad aver sperimentato con successo il
sistema modulare HTTR, ha realizzato un'apparecchiatura sperimenta-
le per la messa a punto di un ciclo termochimico zolfo-iodio (ciclo S-I)
per la produzione competitiva d'idrogeno e di metanolo da accoppiare
al reattore nucleare. Questi due vettori sono combustibili indispensa-
bili per l'industria automobilistica nipponica che punta alla mobilit
sostenibile, sviluppando la tecnologia delle celle a combustibile [26].
In Tab.1 sono riportati i principali progetti a livello internazionale di
reattori nucleari di piccola taglia; oltre all'esperienza cinese e giap-
ponese altri programmi di R&D sono in corso in USA, UE, Korea e
Federazione Russa [12,25, 27].
Il programma di ricerca statunitense 'Next Generation Nuclear Plant,
NGNP' prevede che entro il 2021 sia sviluppato, costruito e esercito
un prototipo di HTGR e le relative strutture per produrre elettricit ed
idrogeno, con finanziamenti paritari tra Stato e industria privata, con
un budget di circa $4 miliardi. Nel 2009, undici societ elettriche,
costruttrici di reattori nucleari, chimiche, di strumentazione e servizi
(Entergy, Areva, Westinghouse, Dow Chimical, ConocoPhillips, etc.)
hanno fondato la 'NGNP Industry Alliance' o Alliance per realizzare
detto impianto [28]. La direzione del progetto di diritto di INL (Idaho
National Laboratory), che in collaborazione con Alliance hanno pre-
scelto su tre progetti, quello dell'Areva per un pi basso costo capitale
e costi molto inferiori per la realizzazione del prototipo e per la sua
commercializzare, rispetto a quelli dei concorrenti General Atomics
e Westinghouse-PBMR. A questa iniziativa, in un secondo tempo ha
aderito la Polonia, che si candidata a costruire il primo reattore per
la gassificazione del proprio carbone sul suo territorio. L'iniziativa
della Polonia ha spinto la CE a collaborare con il Governo statunitense
e nel 2016, i governi degli USA e dell'UE hanno firmato un accordo
di collaborazione, chiamato GEMINI [29], che prevede come ripartire
i costi e procedere nella collaborazione transatlantica tra NGNP e
NC21 (the European Nuclear Cogeneration Industrial Initiative) [30].
La Francia, con Areva, un socio fondatore di Alliance, sviluppa lo
stesso concetto HTGR con temperatura di uscita dal nocciolo di circa
850 C. Inoltre, l'Areva impegnata a sviluppare reattori di IV Ge-
nerazione a 'Very High Temperature Reactor, VHTR' con temperature
del nocciolo di circa 950-1000C, supportato con il programma di
ricerca Antares [31].
La Federazione russa sta sviluppando una sua versione di HTGR, MHR-100SMR, con potenza elettrica di 100 MW e termica di 315 MW
[32]. Il prototipo di MHR ha una temperatura di progetto all' uscita del
nocciolo di circa 950C ed progettato per essere usato nella chimica
di processo, sia per elettrolisi ad alta temperatura che per lo 'steam
reforming' del metano [33]. In Fig. 4 riportato uno schema di coge-
nerazione nucleare per la gassificazione del carbone, con reattore di
piccola scala accoppiato all'impianto di processo per la gassificazione
e la sintesi del metanolo. REATTORI NUCLEARI VELOCI REFRIGERATI
A METALLO LIQUIDO (LMFR)
I piccoli reattori LMFRs sono in grado di produrre potenza e calore ad
alta temperatura per produrre idrogeno per elettrolisi a alta tempera-
tura e mediante cicli termochimici. Un LMFR di IV Generazione utilizza
effettivamente tutta la materia prima e permette il riciclo del combu-
stibile esaurito, comprese le scorie radioattive e gli scarti accumulati
nell'attivit civile e militare. In particolare la filiera IFR (Integral Fast
Reactor) in grado di riciclare circa il 96% del materiale fissionabile
come uranio e transuranici, per richiede notevoli sforzi in R&D per
risolvere alcuni problemi di base per la progettazione commerciale
di un LMFR, che deve competere nel libero mercato con taglie diverse
(grande 1500MWe, media 400-600MWe, piccola 100-200MWe e
piccolissima 40-80MWe). Particolari sforzi sono concentrati sui reattori 1 Nome reattore Potenza termica [MW] Progetto Temperatura refrigerante uscita nocciolo [C] GTHTR GT-MHR

HTTR HTR-10 HTR-PM SC-HTGR (prog. Antares) 600 400-600

30
10 250
625 JAEA (Giappone)
GA (USA), Areva (Francia), Fuji (Giappone), OKBM (Russia) JAERI (Giappone) INET (Cina)
INET (Cina) Areva (Francia) 850 750'1000

850'950 700
750 566'850 TABELLA 1 - Reattori a gas ad alta temperatura
(HTGR) in esercizio o in fase di costruzione
FIGURA 4 - Impianto HTR accoppiato al processo
di gassificazione del carbone per la produzione
di combustibile sintetico [33]
2 Nome reattore Potenza termica [MW] Progetto Temperatura refrigerante uscita nocciolo [C] ALFRED [34]

BREST-300 [35,36]
G4M [37]
SVBR [38]
STAR [13, 39]
STAR-H2 [40] 300

700
70
280
300-400
300 Ansaldo et al.,
(Romania)
NIKIET (Russia)
Gen4Energy (USA)
AKME (Russia)
ANL (USA)
ANL (USA) 400

540
500
490
500-700
800

TABELLA 2 - I reattori veloci refrigerati a metallo
liquido (LMFR) in progettazione o in fase di costruzione
del prototipo
Tecnica LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 61 Sistemi Energetici di piccola taglia trasportabili, facili da integrare nell'industria di pro-
cesso e detti 'cartridge core', perch il nocciolo pu essere sostituito
e ricaricato dopo 15-20 anni [12]. Questi reattori sono multiscopo,
con spettro neutronico veloce, potenza termica inferiore a 300MW e
refrigerati con piombo fuso o da un eutettico Pb-Bi. Il blocco del reat-
tore fabbricato in officina e trasportato facilmente sul sito, mediante
ferrovia, via fluviale e/o su strada.
Questa filiera di reattori ancora nella fase di R&D e sta sperimen-
tando la compatibilit dei materiali di contenimento e strutturali con il
refrigerante ad alte temperature e irraggiamento. I prototipi di LMFR
in fase di costruzione prevedono temperature del refrigerante in uscita
dal nocciolo intorno ai 500C, che sono temperature ancora lontane
dagli 800C, richieste dall'elettrolisi ad alta temperatura e dai cicli
termochimici per produrre a prezzi competitivi l'idrogeno. Questo
ha il ruolo importante d'intermedio, indispensabile per la produzione
rinnovabile di MeOH e suoi derivati. Solo l'esercizio dei primi prototipi
potr confermare l'affidabilit dei materiali disponibili e accelerare la
progettazione definitiva per questa filiera di reattori di piccola taglia
ad alta temperatura. In Tab. 2, per completezza d'informazione, sono
riportate le caratteristiche dei principali progetti in fase di sviluppo di
LMFRs. PROCESSO CONVENZIONALE E
CON NUCLEARE INTEGRATO PER PRODURRE
MEOH DA COMBUSTIBILI FOSSILI
In questa sezione sono riportati esempi industriali di uso efficiente di
materia prima e di sinergia tra fonti fossili e nucleare (o solare a con-
centrazione) per ridurre l'impatto ambientale e garantire la sicurezza
degli approvvigionamenti energetici. A tale scopo sono confrontati i
risultati di simulazioni numeriche per produrre MeOH mediante un
impianto convenzionale, alimentato a carbone e gas naturale, e un
impianto ibrido, ottenuto per assemblaggio di quello convenzionale
con reattore nucleare integrato (cogenerazione nucleare o nucleare
integrato). La cogenerazione nucleare consiste in un reattore di piccola
taglia di tipo GT-MHT, che fornisce potenza e calore ad alta tempera-
tura alle unit operative di processo e di servizio [41]. Le prestazioni
di entrambi i sistemi sono stimati mediante opportuni indicatori, in
termini di consumo di materia prima, calore, potenza e di produzione
di metanolo e di carbonio emesso e catturato. Questi indicatori sono
definiti come rapporto tra il componente d'interesse rispetto all'unit
di metanolo prodotto; per esempio, per il gas naturale i componenti
sono: gas naturale (CH 4), acqua, elettricit, calore ad alta tempera- tura, diossido di carbonio (CO 2) catturato e emesso, che espressi in formule diventano: [tCH 4/tMeOH], [tH2O/tMeOH], [MWh/tMeOH], [MWh/tMeOH], [tCO 2/tMeOH], [MWh/tMeOH]. Questi indicatori sono ottenuti mediante elaborazione di dati di letteratura, ottenuti da
diversi ricercatori con programmi di simulazione di processo (come
Aspen Plus, CHEMCAD, ecc.) [11, 33, 42, 43, 44,45]. I consumi medi
di materia prima, di energia e le emissioni di gas serra per unit di
prodotto finale sono stimati per i seguenti quattro casi:
1. processo convenzionale per produrre metanolo da carbone;
2. processo convenzionale per produrre metanolo da gas naturale;
3. processo integrato con energia nucleare per produrre metanolo da carbone; 4. processo integrato con energia nucleare per produrre metanolo da gas naturale. Il processo convenzionale preso a riferimento si basa su un impianto
medio europeo di gassificazione del carbonio e del metano, il cui syn-
gas alimenta l'unit di sintesi del metanolo, con capacit produttiva di
circa 0.6MtMeOH/anno; lo stesso impianto assemblato con reattore
nucleare integrato che fornisce potenza e calore ad alta temperatura
alle unit operative di processo per produrre MeOH da carbone e gas
naturale. In Fig. 5 riportato un diagramma di flusso del sistema ibrido
e le relative unit operative attivate in comune con quelle del processo
convenzionale; le unit di liquefazione dell'aria e di shift sono sosti-
tuite nel sistema ibrido dalla sezione di elettrolisi ad alta temperatura
(circa 750C). La materia prima, che alimenta entrambi i sistemi, un
comune carbone polacco, usato nelle centrali termoelettriche. I flussi
con le linee tratteggiate rappresentano gli apporti di calore e potenza
di origine nucleare, mentre quelle continue rappresentano quelli tra
le unit operative necessarie al processo. Nel caso di sistema ibrido,
una coppia di reattori di piccola taglia di tipo GT-MHR sono integrati
al processo chimico (produzione di syngas, sintesi e purificazione del
MeOH) e alla sezione di servizio; detti reattori nucleari alimentano pi
unit di processo che lavorano in parallelo, con circa 4500 t/giorno
di carbone e producono circa 3500 t/giorno di metanolo. La natura
modulare sia del reattore che dell'impianto di processo permette l'uso
in parallelo di pi moduli, in modo da ottimizzare l'apporto di potenza,
calore ad alta temperatura nella produzione di metanolo e di elettri-
cit, nonch ridurre i tempi di manutenzione e garantire al processo
continuit di carico. Questo tipo di reattore ha una potenza elettrica
inferiore a circa 300MWe e temperatura dell'elio all'uscita dal nocciolo
tra 700C e 900C. Il sistema ibrido prevede una coppia di GT-HTR,
con una potenza di circa 100-150 MWe ciascuno e temperature del
refrigerante in uscita nocciolo sui 750C. I valori degli indicatori sti- FIGURA 5 - Diagramma di flusso per il processo di
cogenerazione nucleare per la produzione di MeOH
da carbone
Tecnica 62 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 Sistemi Energetici mati e relativi alla stessa produzione annua di MeOH sono riportati per
entrambi i sistemi in Tab. 3.
La sinergia tra le fonti porta ad una riduzione del fabbisogno di carbone
per l'impianto di cogenerazione nucleare del 53%, infatti il consumo di
carbonio passa da 4322 t/giorno per il processo convenzionale a solo
1974 t/giorno per il nucleare integrato. L'impianto convenzionale emette
circa 0,029 tCO 2/tMeOH e sono catturate circa 1,29 tCO2/tMeOH, contro solo 0,022 tCO 2/tMeOH emesse per la cogenerazione nucleare. Notevole anche il risparmio di acqua, che supera il 21%, questa risorsa
preziosa scarseggia nei bacini carboniferi, come quello della provincia di
Shanxi ( circa un terzo delle riserve accertate di carbone in Cina). Questi
indubbi vantaggi sono controbilanciati da un maggior consumo di ener- gia elettrica e calore da fonte nucleare (solare a concentrazione), che
abbondante e usato con efficienza.
Il secondo esempio riguarda la produzione di metanolo da gas naturale
(CH4) che richiede una sua preventiva trasformazione in gas di sintesi,
ottenuto miscelando il metano con vapore d'acqua a temperature tra i 700
e i 900C, con un catalizzatore a base di nichel e con un eccesso di vapore
per limitare reazioni non desiderate. Il syngas quindi compresso ed
convertito su un catalizzatore a base di rame in una miscela di metanolo,
acqua e impurit; i successivi stadi di distillazione servono per aumentare
la purezza del greggio fino al grado chimico AA (con concentrazione di
99,85% in peso). Nell'assemblaggio con reattore nucleare sono attive
le stesse unit di processo, con la potenza nucleare che alimenta l'unit
di separazione dell'aria e i compressori dei gas. Inoltre il calore nucle-
are usato in tutte le reazioni endotermiche e per scaldare la materia
prima immessa nei vari reattori chimici. In Tab. 4 sono riportati i valori
degli indicatori selezionati per entrambi i sistemi di gassificazione-sintesi.
In particolare nell'impianto convenzionale alimentato a gas naturale si
producono consistenti quantit di diossido di carbonio sia emesso (0,25
tCO 2/tMeOH) che catturato (2,85 tCO2/tMeOH), mentre nel processo di cogenerazione nucleare sono emesse solo 0.08 tCO 2/tMeOH. La potenza netta consumata diminuisce e passa da 0,213 MWh/tMeOH per il caso
convenzionale a 0,165 MWh/MeOH per il nucleare integrato. Inoltre il
calore nucleare ha un uso molto efficiente, con un apporto di 0,843 MWh/
tMeOH che permette un risparmio di potenza. CONCLUSIONI
Sono evidenziati le potenzialit e i vantaggi di un uso sinergico e integrato
delle fonti primarie d'energia, utilizzando il calore nucleare e il solare a
concentrazione nella produzione di combustibili liquidi sintetici. La sinergia
porta al cambiamento del paradigma tradizionale di considerare le fonti
di energia primaria in forte competizione tra loro e enfatizza la cogenera-
zione e l'efficienza energetica, con lo sviluppo di sistemi ibridi. Un sistema
ibrido, applicato per produrre combustibili liquidi sintetici, permette di
avviare un'economia neutra al carbonio o 'The Methanol Economy' e
ad anticipare i tempi di entrata in produzione di combustibili sintetici e
sostenibili per l'era del post-petrolio. I nuovi combustibili liquidi, necessari
per la mobilit sostenibile e per il risparmio di idrocarburi necessari per le
future generazioni nel campo petrolchimico e farmaceutico, se ottenuti da
fonti rinnovabili e nucleare sono considerati rinnovabili. Inoltre dovranno
assicurare approvvigionamenti affidabili e con prezzi competitivi e stabili,
indispensabili per garantire uno sviluppo socio-economico durevole. Per
esempio in Islanda entrato in funzione l'impianto dedicato a George
Olah per la produzione di metanolo per sintesi di CO 2 di origine geoter- mica e di H2, ottenuto per idrolisi con energie rinnovabili. Questo impianto
ha gi dato un apporto di circa 2,5% al risparmio di benzina da petrolio
(benzine M5) e per il 2020 si prevede la commercializzare di benzine M10
( una miscela composta dal 90% in volume di benzina e dal 10% di MeOH).
Dal confronto tra i due sistemi mediante gli indicatori di produzione emerge
un risparmio di materia prima, di acqua ed una riduzione del diossido di
carbonio emesso e l'eliminazione di quello catturato a parit produzione
annua di MeOH. In particolare nel caso del processo ibrido alimentato a
carbone gli effetti della sinergia portano ad una drastica riduzione delle
emissioni di CO 2, di consumo di carbonio del 53% e notevole risparmio d'acqua. La sinergia per l'impianto convenzionale alimentato a gas na- 3 Componenti Carbone convenzionale Nucleare-integrato Materiali Prodotti Materiali Prodotti Carbone [t/d] 4322 - 1974 - Metanolo [t/d] - 3343 - 3324 Carbone/MeOH [tC/tMeOH] 1.29 - 0.61 - Acqua/MeOH [tH2O/tMeOH] 0.19 0.15 Elettricit [MWh/tMeOH] 0.494 3.08 Calore [MWh/tMeOH] - - 0.826 - Ossigeno [tO/tMeoh] - n.a. - 0.359 CO2 Emessa [t CO2/tMeoh] - 0.029 0.022 CO2 catturata [t CO2/tMeoh] - 1.5 - n/a 4 Componenti Carbone convenzionale Nucleare-integrato Materiali Prodotti Materiali Prodotti Gas naturale [t/d] 1090 - 975 - Metanolo [t/d] - 1838 - 1838 Gas naturale/MeOH [tCH4/tMeOH] 0.59 - 0.53 - Acqua/MeOH [tH2O/tMeOH] 0.127 0.131 Elettricit [MWh/tMeOH] 0.213 0.165 Calore [MWh/tMeOH] - - 0.843 - Azoto [tN/tMeOH] - 1.51 - 1,51 CO2 Emessa [t CO2/tMeOH] - 0.25 0.08 CO2 catturata [t CO2/tMeoh] - 2.85 - n.a. TABELLA 3 - Indicatori di produzione di MeOH per il
processo alimentato con polverino di carbone
TABELLA 4 - Indicatori di produzione di MeOH per
il processo alimentato a gas naturale
Tecnica LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 63 Sistemi Energetici turale meno evidente, anche se la riduzione delle emissioni di diossido
di carbonio sono considerevoli nel processo di cogenerazione nucleare.
Questi vantaggi sono dovuti alla potenza e all'uso efficiente del calore
nucleare, che nella produzione elettronucleare convenzionale veniva uti-
lizzato solo parzialmente e oltre il 60% doveva essere smaltito. La sfida
produrre l'idrogeno a prezzi competitivi, mediante elettrolisi ad alta tempe-
ratura e cicli termochimici, perch l'elettrolisi a freddo rimane competitiva
per una produzione di nicchia di MeOH e quando il costo dell'energia
elettrica molto basso. Vinta la sfida di produrre l'idrogeno a costi conte-
nuti e competitivi, possibile passare alla cattura e al riciclo del diossido
di carbonio(CO 2), agevolato anche dal valore del prezzo del carbonio previsto in crescita per il 2030. Con il riciclo del diossido di carbonio siamo
pienamente in un'economia neutra al carbonio: The Methanol Economy. RINGRAZIAMENTI
Si ringraziano il Prof Alessandro Franco per la cortese revisione del
manoscritto e i Proff Nicola Forgione e Daniele Martelli per il supporto
tecnico e scientifico. BIBLIOGRAFIA
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