Il processo HTC

La carbonizzazione idrotermale (Hydro Thermal Carbonization – HTC) è un processo termochimico per la conversione di biomasse a condizioni relativamente basse di temperatura e pressione in presenza di acqua liquida. Durante la reazione HTC, acqua, anidride carbonica e altri composti vengono scissi dalla biomassa, generando, in un tempo inferiore alle 10 ore, un solido carbonioso, il biocarbone (o hydro char – HC ), con caratteristiche simili alla lignite, e un residuo acquoso ricco dei nutrienti presenti nella materia prima.

Il processo HTC simula quelle condizioni che in natura hanno portato il materiale vegetale a diventare torba o lignite. I fattori sono infatti acqua, temperatura e pressione. Il processo HTC sui substrati organici produce così HC che ha le caratteristiche tipiche della lignite.
Dato che il processo avviene in acqua, la carbonizzazione idrotermale è idonea a trattare anche biomasse con un alto livello di umidità. Materia di partenza per questa trasformazione possono quindi essere scarti vegetali e biologici di attività agricole, industriali e commerciali, nonché provenienti dal servizio di raccolta differenziata dei rifiuti urbani.
L’intero ciclo dura circa 8-10 ore; Il processo è inoltre flessibile (il reattore puo trattare nell’unità di tempo quantità variabili di rifiuto organico) e facilmente scalabile (il numero di reattori può essere aumentato).
Il seguente diagramma di processo (nel menu qui sotto) riporta il bilancio di massa e di energia del processo.

Biomassa in ingresso

La tecnologia HTC è molto flessibile in termini di substrato che può essere trattato e non prevede limiti di matrice di composti organici. Le caratteristiche del solido carbonioso prodotto dalla reazione di carbonizzazione idrotermale, pur influenzate dai parametri di processo e dal materiale in ingresso, risultano, negli studi e nelle sperimentazioni effettuate od analizzate, assimilabili ad una forma di lignite, rientrando nei range caratteristici di quest’ultima.

Non necessitando di una fase di essiccazione della biomassa in ingresso, il processo HTC è particolarmente indicato per biomasse con un elevato contenuto di umidità, più difficili da trattare con impianti di compostaggio o di digestione anaerobica.

Di seguito sono elencate le tipologie di biomassa di maggior potenziale interesse per la tecnologia HTC.

• GREEN WASTE (sfalci e potature, scarti agro-forestali): il green waste rappresenta la tipologia di biomassa più facilmente trattabile e che registra il più alto grado di carbonizzazione. Partendo dagli scarti vegetali si ottiene un’acqua di processo più facilmente utilizzabile per far tornare i nutrienti al suolo.
• FORSU: l’HTC è in grado di valorizzare la Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano. I dati di letteratura mostrano che dalla FORSU si ottiene un HC più ricco di ceneri rispetto a matrici di natura ligno-cellulosica.
• RIFIUTI INDUSTRIA AGROALIMENTARI : le opportunità di trattamento di scarti dell’industria alimentare sono numerose. In letteratura sono presenti dati sul trattamento HTC di barbabietola da zucchero, corteccia, mais, vinacce. Ulteriori matrici di potenziale interesse sono la buccia di agrumi, pomodori e patate, la sansa, la lolla di riso e i residui di cioccolato.
• DIGESTATO: trattamento del residuo degli impianti di digestione anaerobica .
• FANGHI BIOLOGICI: una matrice difficile da recuperare con le normali tecniche viene valorizzata appieno con la tecnologia Ingelia producendo una materia prima equivalente, una biolignite, ed un compound di macro e micro nutrienti.
• SOTTOVAGLIO/ORGANICO DA TMB : la soluzione impiantistica di Ingelia permette di recuperare anche la frazione organica “sporca” che deriva dalla vagliatura dell’indifferenziato, valorizzando così una matrice il cui destino sarebbe stato perlopiù solo quello di finire in discarica.
• NON COMPOSTATO / FUORI SPECIFICA : recupero della parte di rifiuto organico non compostato alla fine del processo aerobico o risultante fuori specifica .
• ALGHE e RIFIUTI ad alto contenuto salino: la tecnologia HTC è compatibile anche con rifiuti con un alto tenore di salinità, presenti ad esempio nelle zone marine (es. materiale algale).

In aggiunta alle biomasse sopra citate, la tecnologia consente di utilizzare un loro mix per ottenere prodotti specifici. L’analisi di questi mix e la scelta dei parametri di processo potrebbero risultare di interesse specifico per l’utilizzo di HC in agricoltura.

La flessibilità del processo e la modularità degli impianti consentono sia di processare in parallelo differenti matrici all’interno dello stesso impianto, che di modificare i parametri di esercizio in funzione della matrice in ingresso, ottenendo prodotti con caratteristiche differenti.

Prodotto in uscita

I prodotti in uscita dal processo HTC sono:

• un solido carbonioso (o hydrochar), classificabile come lignite
• un concentrato ricco di elementi fertilizzanti
• acqua sterile

HYDRO-CHAR ( bio-lignite)

Per quanto riguarda il prodotto principale del processo, il solido carbonioso ha le caratteristiche assimilabili a quelle della lignite, con le seguenti possibili applicazioni di mercato, sia in una prospettiva di breve, che di medio-lungo periodo.

• BioCombustibile: allo stato attuale, l’impiego come combustibile rappresenta una delle principali e tecnologicamente più mature modalità di valorizzazione dell’HC. L’applicazione come combustibile è già stata dimostrata ed è attualmente in corso con l’HC prodotto nell’impianto Ingelia di Valencia a partire da sfalci e potature, opportunamente essiccato e pellettizzato.
• Ammendante: l’HC si pone, per caratteristiche, in una posizione intermedia tra compost e biochar. L’applicazione di hydro-char sui suoli può rispondere ad obiettivi di fertilizzazione e/o di sequestro di carbonio ai fini della mitigazione (diretta e/o indiretta) delle emissioni di anidride carbonica e costituisce un ambito di ricerca di notevole interesse a livello internazionale anche ai fini della rivisitazione delle regolamentazioni di legge per l’applicazione dei char sui suoli che garantisca il conseguimento degli obiettivi di sicurezza e sostenibilità.
• Mezzo adsorbente: l’HC possiede le caratteristiche di precursore per la produzione, previa opportuna attivazione fisico-chimica, di carboni attivi da impiegare come adsorbenti sia in mezzo liquido che aeriforme. I campi di impiego proposti in letteratura comprendono la purificazione di reflui (rimozione di metalli pesanti, coloranti organici, contaminanti e inquinanti in genere) e di emissioni gassose (rimozione di inquinanti atmosferici quale ad esempio l’idrogeno solforato), nonché cattura/sequestro di CO2, stoccaggio di CH4 o H2.
• Usi tecnici industriali: l’uso di HC come precursore per la produzione di materiali ad alte prestazioni rappresenta una frontiera scientifico-tecnologica su cui si stanno focalizzando recenti studi e sperimentazioni. Possibili campi di impiego sono nei seguenti campi: Catalisi; Produzione di materiali nanostrutturati; Produzione e accumulo di energia (celle a combustibile, batterie al litio, supercapacitori). Allo stato attuale, le principali criticità da superare per raggiungere un’applicabilità di mercato su larga scala riguardano la necessità di processi addizionali, ad esempio per la concentrazione del carbonio; le possibili contaminazioni, che possono inficiare le proprietà dell’HC; un contenuto di carbonio non sufficientemente elevato.

MACRONUTRIENTI E SOSTANZE FERTILIZZANTI

Le acque di processo potrebbero essere utilizzate per la fertirrigazione di colture presenti sul territorio.

Nel caso dell’impianto in funzione a Valencia gli enti competenti hanno autorizzato in via permanente l’utilizzo delle acque di processo per la fertirrigazione degli agrumeti.

Per gli impianti previsti in Italia è previsto un trattamento di ultrafiltrazione ed osmosi delle acque di processo per l’estrazione del concentrato ricco di macro nutrienti ( NPK )  e mesoelementi idrosolubili contenuti nella biomassa trattata. E’ prevista la vendita del concentrato ad aziende produttrici di fertilizzanti organici.

ACQUA STERILE

Le acque depurate, in parte vengono riciclate nel processo, e in parte scaricate in fognatura. Si tratta comunque di acqua sterile, in quanto la temperatura di processo è compresa tra i 180 e i 200 gradi.

Diagramma di processo

L’HTC si colloca in una posizione di mezzo tra la pirolisi e il compostaggio. A differenza della pirolisi, che porta la biomassa a ristrutturarsi in modo sostanziale, l’HTC è un processo mild: la biomassa perde un po’ di idrogeno, ma non tanto da aromatizzarsi in modo elevato; è una sorta di compromesso tra condensazione di carbonio nel char in forma mild e altre molecole nutrienti che rimangono nella fase acquosa.

Il processo può essere suddiviso nelle seguenti fasi principali:

1. Sessione di pretrattamento dei rifiuti,
   con la rimozione delle impurità inorganiche presenti nella biomassa, che diventano scarti del processo, attraverso la triturazione e la vagliatura dei materiali in ingresso.
2. Sessione di trattamento.
   La fase idrotermale avviene nel reattore a temperature attorno ai 180-210 °C e pressioni di 10-20 bar. In queste condizioni termiche e di pressione si verifica un processo chimico che possiamo sintetizzare con la seguente formula: C₆H₁₂O₆ → C₆H₄O₂ + 4 x H₂O + energia. In una prima fase la biomassa viene depolimerizzata: questa fase è chiamata anche fase di monomerizzazione, in cui si formano monosaccaridi o zuccheri, come pentosi ed esosi. Le molecole formate durante la monomerizzazione sono disidratate e formano composti carbonilici nel gruppo delle aldeidi, come i composti furano, e più specificamente, per esempio, idrossimetilfurfurale e furfurolo. Successivamente, in una seconda fase, i composti aldeidici polimerizzano: a reagire non sono solo i composti aldeidici ma anche composti aromatici (da lignina), composti insaturi e composti acidi (per esempio, prodotti di degradazione degli zuccheri). In aggiunta ai composti descritti, è possibile trovare acido levulinico copolimerizzato, così come anelli aromatici.
3. Sessione di post-trattamento,
   per l’eventuale essiccamento dell’hydro-char a seconda dell’applicazione, utilizzando sia i fumi esausti della centrale termoelettrica sia il calore recuperato nella fase di depressurizzazione in uscita dal flusso del reattore, con un abbattimento dell’umidità dal 45% fino al 6-7%.

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