Il laboratorio è attualmente impegnato nella realizzazione di catalizzatori ad alta conducibilità termica che consentono di realizzare la retrodiffusione del calore di reazione lungo il letto catalitico, con una riduzione dell’incremento termico di circa il 90%, permettendo così una sensibile intensificazione dei processi esotermici di equilibrio come ad esempio il WGS, ponendo le basi per la conduzione di reazioni esotermiche di equilibrio in un unico reattore catalitico
L’Università ha sempre sostenuto la ricerca e promosso la cultura in generale, favorendo lo sviluppo e l’affermazione di una società più razionale e tollerante in cui le persone sono più preparate e pronte ad affrontare al meglio il loro ruolo in campo economico e nella vita produttiva del Paese. Attualmente, con l’aumento della competitività mondiale, questo ruolo è essenziale, in particolare se si intende intraprendere le sfide sempre più ambiziose cui le prossime generazioni saranno chiamate. In effetti, se pensiamo solo i problemi derivanti dall’inquinamento atmosferico, alle sempre crescenti questioni energetiche, al rapido ritmo del cambiamento tecnologico, o la continua crescente interdipendenza globale e le disuguaglianze economiche, sia in Europa e fra l’Europa e gli altri continenti, ci si rende conto quanto sia importante produrre maggiori sforzi sia nella ricerca applicata sia in quella di base al fine di proporre nuove soluzioni ai problemi, perché solo in questo modo una migliore possibilità di successo economico e la conseguente stabilità sociale può essere raggiunta.
Il gruppo di ricerca ProCEED (Processes and Catalysis for Energy and Environment Depollution), da me coordinato, fa parte del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DI.In.) dell’Università degli Studi di Salerno. In particolare, il Gruppo Proceed è attivo nello studio di nuovi processi catalitici e non, rivolti sia alla produzione di idrogeno da fonti fossili o rinnovabili, sia all’abbattimento dell’inquinamento atmosferico. Nel dettaglio, gli interessi scientifici sono rivolti allo studio e alla formulazione di nuovi catalizzatori per l’intensificazione di vari processi industriali catalitici, tra i quali citiamo:
– reforming autotermico di idrocarburi leggeri con elevate efficienza termica e conversione;
– catalizzatori strutturati ad elevata conducibilità termica per la produzione di idrogeno tramite steam reforming di metano;
– nuovi catalizzatori strutturati per l’intensificazione del processo di CO Water Gas Shift;
– catalizzatori per l’ossidazione parziale catalitica di idrocarburi;
– filtri catalitici innovativi per l’abbattimento di particolato carbonioso emesso da motori diesel, rigenerati tramite microonde;
– catalizzatori per la produzione di idrogeno tramite steam reforming di etanolo a bassa temperatura;
– produzione simultanea di idrogeno e zolfo tramite decomposizione catalitica di H2S.
Le attività citate si caratterizzano tutte come “ricerca applicata”, e sono tutte contraddistinte da intense interazioni sotto forma di sviluppo di progetti nazionali ed europei, nonché di consulenze o convezioni di ricerca con le realtà industriali e di ricerca del territorio campano e, più in generale, nazionale e internazionale. Allo scopo di evidenziare le ricadute industriali delle attività svolte, se si considera la reazione di CO Water Gas Shift, questa è una reazione esotermica di equilibrio impiegata nella conversione di CO a H2 e CO₂, industrialmente condotta in due stadi catalitici adiabatici operanti a due diverse temperature, uno stadio ad alta temperatura (HTS) a circa 350 – 400°C e uno stadio a bassa temperatura (LTS) a circa 200 – 250 °C con catalizzatori a base di Fe-Cr e Cu-Zn, rispettivamente. Questo tipo di configurazione, sebbene sia quella attualmente piu impiegata, presenta ancora notevoli svantaggi che si traducono in costi eccessivi. I principali svantaggi sono legati al fatto che i due stadi richiedono due reattori e uno scambiatore di calore intermedio.
La realizzazione di un processo a singolo stadio rappresenterebbe pertanto una notevole intensificazione di processo, consentendo di ridurre enormemente i costi. In condizioni adiabatiche, la esotermicità della reazione genera un gradiente termico sul letto catalitico, che si traduce in una temperatura più bassa all’ingresso, rispetto all’uscita del catalizzatore, sfavorendo la cinetica all’ingresso e la conversione all’uscita; è teoricamente possibile, tramite una ridistribuzione del calore di reazione lungo il letto catalitico, appiattire il profilo termico abbassando la temperatura all’uscita del letto a spese di un innalzamento della temperatura all’ingresso, ottenendo di fatto una velocità di reazione maggiore ed una conversione più elevata. Pertanto, un catalizzatore che fosse particolarmente attivo nelle condizioni degli attuali due stadi e che, allo stesso tempo fosse in grado di appiattire il profilo termico sul letto catalitico, consentirebbe di operare in un singolo stadio, con un notevole risparmio di costo.
Il laboratorio Proceed è impegnato nella realizzazione di catalizzatori ad alta conducibilità termica ed efficienza catalitica, preparati con carriers di alluminio a celle aperte che, grazie all’elevata conducibilità termica del supporto consentono di realizzare la retrodiffusione del calore di reazione lungo il letto catalitico, con una riduzione dell’incremento termico di circa il 90%, consentendo così di ottimizzare le condizioni cinetiche e termodinamiche di esercizio del reattore, migliorando la resa e la conversione, ponendo le basi per la realizzazione di un processo di WGS a singolo stadio. Il coinvolgimento in progetti di ricerca finanziati dal MIUR e dalla Comunità Europea hanno permesso di mettere a punto diversi impianti in scala di laboratorio e pre-pilota: in particolare, in collaborazione con la SOL spa e la KT – Kinetics Technology S.p.A. è stato sviluppato un sistema integrato, costituito da un reattore per il reforming autotermico di metano seguito da uno stadio di Water Gas Shift, entrambi caratterizzati dall’utilizzo di catalizzatori strutturati, in grado di produrre fino a 50 Nm3/h of H2.
Nell’ottica di sviluppare tecnologie innovative in grado di garantire la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili e il suo successivo impego come fonte energetica nelle celle a combustibile, il gruppo Proceed, nell’ambito del progetto europeo “COMETHY” ha dedicato una linea di ricerca al processo di reforming di bio-etanolo. Similmente a quanto osservato per il metano, l’endotermicità della reazione richiede alte temperature di esercizio per il raggiungimento di elevate rese ad idrogeno. Tuttavia, al fine di minimizzare la formazione di monossido di carbonio, ben noto veleno per l’anodo delle celle a combustibile, e garantire, nel contempo, bassi costi operativi e di esercizio, la ricerca è focalizzata sullo studio del processo a basse temperature (300-600°C).
L’ottimizzazione della formulazione catalitica ha consentito il raggiungimento di elevate performances in termini di attività e stabilità. Inoltre, selettività a coke molto basse sono state registrate anche alimentando bio-etanolo simulato, contenenti le tipiche impurità contenute nella miscela prodotta dalle biomasse. Anche nel caso del reforming di etanolo, l’impiego di catalizzatori strutturati, in forma di schiume in carburo di silicio a celle aperte, ha consentito di minimizzare le resistenze al trasferimento di calore e di materia, migliorando ulteriormente le performances catalitiche. Il coinvolgimento di questo filone di ricerca in diversi progetti europei ha condotto alla preparazione di 10 dm3 di schiume catalitiche, che garantiscono la produzione di 2 Nm3/h di idrogeno in un reattore pilota a membrana operante a bassa temperatura e di 10 dm3 di catalizzatori supportati su silice per il reforming ossidativo di etanolo in un reattore a membrana a letto fluido, in grado di assicurare una produttività di idrogeno di 3.5 Nm3/h, entrambi quali unici esempi in Europa di reattori catalitici a membrana per il reforming di bioetanolo a basse temperature.