Il combustibile sintetico o synfuel è un combustibile liquido ottenuto dal carbone, gas naturale, scisto bituminoso, o dalle biomasse o dall'anidride carbonica ambientale. Il nome può anche essere riferito ai combustibili derivati da altri solidi come la plastica o dagli scarti della gomma. L'uso comune del termine "combustibile sintetico" è utilizzato per descrivere i combustibili prodotti mediante la conversione Fischer-Tropsch, la conversione da metanolo a benzina o la liquefazione diretta del carbone.
Utilizzando processi industriali commercialmente provati, possono essere utilizzate biomasse per produrre combustibile sintetico per trasporto. Questi combustibili possono essere prodotti in modo che vengano ridotte le emissioni di gas serra nel ciclo di vita, mentre vengono costruite infrastrutture pronte a soddisfare gli standard futuri per i combustibili rinnovabili. I combustibili sintetici sono una delle poche alternative, economicamente valide e industrialmente scalabili, al petrolio in grado di rappresentare una fonte necessaria al mantenimento dell'economia, sono inoltre l'unica fonte conosciuta non derivata dal petrolio di carburante avionico.
A luglio 2009 la capacità di produzione di combustibile sintetico era di oltre 38.000 m³ al giorno con numerosi progetti in costruzione o in fase di sviluppo.
Storia
La conversione diretta del carbone in carburante sintetico fu originariamente sviluppata in Germania. Il processo Bergius fu sviluppato da Friedrick Bergius che depositò il brevetto nel 1913. Karl Goldschmidt lo invitò a costruire un impianto industriale nella sua fabbrica Th. Goldschmidt AG (ora conosciuta come Industrie Evonik) nel 1914.Secondo la biografia della Degussa di Hans Goldschmidt su , Karl Goldschmidt aveva invitato Bergius a diventare direttore della ricerca presso la Chemische Fabrik Th. Goldschmidt. La produzione cominciò solamente nel 1919. Anche la conversione indiretta del carbone (dove il carbone è gassificato e poi convertito in carburante sintetico) fu sviluppata in Germania da Franz Fischer e Hans Tropsch nel 1923, con il processo Fischer-Tropsch. Durante la Seconda guerra mondiale la Germania usò la creazione di olio sintetico per produrre prodotti petroliferi surrogati usando il processo Bergius (dal carbone), il processo Fischer-Tropsch (acqua gas), e altri metodi (Zeitz usava i processi TTH e MTH). Nel 1931, Il British Department of Scientific and Industrial Research a Greenwich, in Inghilterra, preparò una piccola attrezzatura dove l'idrogeno era combinato con il carbone a una pressione estremamente alta per produrre un carburante sintetico.
Le fabbriche che usavano il processo Bergius furono la più importante fonte dei Tedeschi di gasolio di alta qualità per aerei, di olio, gomma, metanolo e ammoniaca sintetici e acido nitrico. Quasi un terzo della produzione Bergius era prodotta dalle fabbriche a Pölitz (in polacco: Police) e Leuna, con un terzo in più in altre 5 fabbriche (Ludwigshafen aveva una fabbrica Bergius molto più piccola che "migliorava la qualità del gasolio attraverso la deidrogenazione" usando il processi DHD).
Le categorie di carburante sintetico includevano "T.L. carburante per jet", "gasolio per aerei di prima qualità", "gasolio di base per aerei", e "benzina-olio di catrame"; e anche gas d'aria e diesel furono sintetizzati in carburante (per esempio carri armati convertiti usavano gas d'aria). All'inizio del 1944, la produzione di combustibile sintetico in Germania raggiunse più di 124.000 barili al giorno (19.700 m³) da 25 fabbriche incluse 10 nell'area della Ruhr. Nel 1937, i quattro impianti a carbone di lignite della Germania a Böhlen, Leuna, Magdeburgo/Rothensee e Zeitz, insieme all'impianto a carbone bituminoso dell'area della Ruhr a Scholven/Buer, avevano prodotto 4,8 milioni di barili (760 × 10³ m³). Quattro nuovi impianti di idrogenazione (in tedesco: Hydrierwerke) furono successivamente eretti a Bottrop-Welheim (che usava "pece di catrame minerale bituminoso"), Gelsenkirchen (Nordstern), Pölitz e, a 200.000 tonn/a, Wesseling. Nordstern e Pölitz/Stettino usavano carbone bituminoso, come facevano i nuovi impianti di Blechhammer. Heydebreck sintetizzò olio alimentare, che fu testato sui prigionieri dei campi di concentramento. Il Personale speciale di Geilenberg stava usando 350.000 lavoratori forzati, per la maggior parte stranieri, per ricostruire gli stabilimenti di petrolio sintetico bombardati, in un programma d'emergenza di decentramento, per costruire 7 impianti di idrogenazione sotterranei per protezione dai bombardamenti (nessuno fu completato). (I progettisti avevano rifiutato una tale proposta precedente perché la guerra doveva essere vinta prima che i bunker fossero completati.) Nel luglio 1944, si stava "ricavando nella parte nord di Himmelsburg" della fabbrica Mittelwerk l'impianto sotterraneo di petrolio sintetico del progetto "Cuculo" (800.000 m²), che però era incompleto alla fine della Seconda guerra mondiale.
Le tecnologie indirette Fischer-Tropsch ("FT") furono portate negli Stati Uniti dopo la Seconda guerra mondiale, e un impianto da 7.000 barili al giorno (1.100 m³/d) fu progettato dalla HRI e costruito a Brownsville (Texas). Lo stabilimento rappresentò il primo uso commerciale della conversione Fischer-Tropsch ad alta temperatura. Operò dal 1950 al 1955, quando fu chiuso perché il prezzo del petrolio era crollato a causa dell'accresciuta produzione e delle enormi scoperte in Medio Oriente.
Nel 1949, un impianto dimostrativo per convertire il carbone in benzina fu costruito e gestito dallo U.S. Bureau of Mines a Louisiana (Missouri). Anche impianti per la conversione diretta del carbone furono sviluppati negli Stati Uniti dopo la Seconda guerra mondiale, compreso uno stabilimento da 3 tonnellate al giorno a Lawrenceville (New Jersey) e un altro da 250-600 tonnellate al giorno a Catlettsburg (Kentucky).
Classificazione e principi Il termine "combustibile sintetico" ha diverse definizioni che possono includere diversi tipi di combustibile. Le definizioni più tradizionali, ad es. la definizione data dall'Agenzia internazionale dell'energia, definiscono il "combustibile sintetico" come qualsiasi combustibile liquido ottenuto dal carbone o dal gas naturale. La Energy Information Administration definisce i combustibili sintetici nelle sue Prospettive Annuali dell'Energia 2006, come combustibili ricavati da carbone, gas naturale o biomasse attraverso la conversione chimica in greggio sintetico e/o prodotti sintetici liquidi. Un certo numero di definizioni del combustibile sintetico includono anche combustibili prodotti da biomasse e rifiuti industriali o urbani. La definizione di combustibile sintetico può anche comprendere sabbie bituminose e scisto bituminoso come fonti di combustibile, e oltre a combustibili liquidi sono inclusi anche combustibili gassosi. Nel suo "Manuale dei combustibili sintetici", il petrolchimico James G. Speight includeva combustibili liquidi e gassosi come anche combustibili solidi puri prodotti dalla conversione di carbone, scisto bituminoso, sabbie bituminose e varie altre forme di biomasse, nonostante ammettesse che nel contesto dei combustibili a base di petrolio il termine avesse un significato ancora più ampio. A seconda della situazione, possono essere inclusi anche metanolo, etanolo e idrogeno.
I combustibili sintetici sono prodotti dal processo chimico di conversione. I metodi di conversione possono includere la conversione diretta, che significa che la sostanza d'origine è convertita direttamente in combustibili liquidi per il trasporto, o la conversione indiretta, che significa che la sostanza d'origine è convertita inizialmente in syngas che passa poi attraverso un processo di conversione aggiuntivo per diventare combustibili liquidi. I metodi basilari di conversione sono la carbonizzazione e la pirolisi, l'idrogenazione e la dissoluzione termica.
Processi Ci sono numerosi processi che possono essere usati per produrre combustibili sintetici. I principali sono di tre tipi: processi indiretti, diretti e per biocombustibili.
Conversione indiretta La conversione indiretta ha la più ampia distribuzione a livello mondiale, con la produzione globale che raggiunge un totale di circa 260.000 barili al giorno (41.000 m³/d), e molti progetti aggiuntivi in corso di sviluppo attivo.
La conversione indiretta si riferisce in senso ampio a un processo, nel quale la biomassa, il carbone o il gas naturale è convertito in una miscela di idrogeno e monossido di carbonio noto come syngas (o "gas di sintesi") attraverso la gassificazione o la reazione di reforming con vapore, e nel quale il syngas è trasformato in un combustibile liquido per trasporti usando una delle numerose diverse tecniche di conversione secondo il prodotto finale desiderato.
Le tecnologie primarie che producono combustibile sintetico da syngas sono la sintesi di Fischer-Tropsch e il processo Mobil (noto anche come metanolo in benzina (Methanol To Gasoline, o MTG)). Ci sono alcune tecnologie in corso di sviluppo per produrre etanolo da syngas, benché queste non siano ancora state dimostrate su scala commerciale.
Il processo Fischer-Tropsch fa reagire il syngas tipicamente con un catalizzatore a base di cobalto o di ferro, e trasforma il gas in prodotti liquidi (primariamente carburante diesel e carburant per jet) e potenzialmente in cere (a seconda del processo FT impiegato).
Il processo per produrre combustibili sintetici attraverso la conversione indiretta è spesso chiamato carbone in liquidi (coal-to-liquids, o CTL), gas in liquidi (gas-to-liquids, o GTL) o biomass-to-liquids, o BTL), secondo la materia prima iniziale. Almeno tre progetti (Ohio River Clean Fuels, Illinois Clean Fuels e Rentech Natchez) stanno combinando materie prime di carbone e biomasse, creando combustibili sintetici con materie prime ibride noti come carbone e biomassa in liquidi (Coal and Biomass To Liquids, o CBTL).
Le tecnologie dei processi di conversione indiretta possono anche essere usate per produrre idrogeno, potenzialmente per l'uso nei veicoli a pile di combustibile, o come co-prodotto del flusso dell'elica, o come prodotto primario.
Conversione diretta La conversione diretta riguarda i processi nei quali le materie prime del carbone o delle biomasse sono convertite direttamente in prodotti intermedi o filai, senza passare attraverso lo stadio intermedio della conversione in syngas mediante gassificazione.
I metodi di conversione diretta possono essere suddivisi in due grandi categorie: la pirolisi e la carbonizzazione da un lato, e l'idrogenazione dall'altro.
Processi di idrogenazione
Uno dei principali metodi di conversione del carbone in liquidi mediante un processo di idrogenazione è il processo Bergius.Robert Haul, "Friedrich Bergius (1884-1949)", p. 62 in Chemie in unserer Zeit, VCH-Verlagsgesellschaft mbH, 19. Jahrgang, aprile 1985, Weinheim Germania In questo processo, il carbone è liquefatto mescolandolo con il gas idrogeno e riscaldando il sistema (idrogenazione). Il carbone secco è mescolato con il petrolio pesante riciclato dal processo. Al processo è tipicamente aggiunto un catalizzatore. La reazione si verifica tra 400 e 500 °C e fra 20 e 70 MPa di pressione dell'idrogeno. La reazione può essere sintetizzata come segue:
Dopo la prima guerra mondiale furono costruiti parecchi stabilimenti in Germania, che furono usati estensivamente durante la seconda guerra mondiale per fornire alla Germania carburante e lubrificanti.