Il paesaggio di spostamento del raffinato: abbracciare nuovi mangimi

L’industria della raffinazione globale, lungamente ancorata al petrolio grezzo, sta subendo una trasformazione fondamentale: i governi rafforzano le normative sulle emissioni e i consumatori chiedono prodotti a basso tenore di carbonio, gli esperti si rivolgono sempre più alle fonti rinnovabili come complemento vitale, e in alcuni casi un’alternativa, ai settori della catastrofe, che richiedono un riconoscimento completo delle biotecnologie.

Questo articolo esplora le tendenze emergenti più significative nei settori delle materie prime rinnovabili per la raffinazione dei processi, le innovazioni che li rendono commercialmente sostenibili e le sfide che rimangono prima di poter raggiungere un'adozione diffusa.

Comprensione di nuovi materiali: tipi e caratteristiche

Le scorte rinnovabili comprendono una vasta gamma di materiali organici che possono essere convertiti in combustibili, sostanze chimiche e energia attraverso vari processi di raffinazione.

Biomassa e Residui agricoli

La biomassa lignocellulosica, come la stovatrice di mais, la paglia di grano, i residui forestali e le colture energetiche dedicate come la centralina e il miscanto, è abbondante e relativamente a basso costo. Questi materiali sono costituiti principalmente da cellulosa, emicellulosa e lignina, che possono essere suddivisi in zuccheri e composti aromatici attraverso la conversione termochimica o biochimica.

Alghe e biomatiche acquatiche

Le microalghe e le macroalghe (alghe) hanno guadagnato attenzione per i loro elevati rendimenti lipidi per acro e i tassi di crescita rapidi. Le alghe possono produrre oli adatti per l'idrotrattamento in combustibile diesel e sostenibile (SAF), mentre la biomassa residua può essere convertita in biogas o biocar.

Oli e grassi di rifiuti

L'olio da cucina usato (UCO), i grassi animali e l'olio alto (un sottoprodotto della carta da pulping) sono già ampiamente utilizzati come mangimi per esteri idrotrattati e acidi grassi (HEFA) per produrre diesel rinnovabili e SAF. Questi mangimi a base di rifiuti hanno una bassa intensità di carbonio perché non richiedono un uso del terreno dedicato o ulteriori input agricoli.

Residui solidi urbani e biogenici

Le frazioni organiche di rifiuti solidi comunali, compresi gli scarti alimentari, i rifiuti da giardino e le fanghi di depurazione, rappresentano una grande risorsa non sfruttata. Le tecnologie avanzate di gassificazione e pirolisi possono convertire questi materiali in gas di sintesi (syngas) e bio-olio, che possono essere poi aggiornate in combustibili e sostanze chimiche.

Idrogeno verde e Power-to-X

Mentre non si tratta di un materiale di alimentazione a base di carbonio, l'idrogeno verde prodotto tramite elettrolisi utilizzando energia rinnovabile sta emergendo come un input critico per la raffinazione. Può essere utilizzato per rimuovere lo zolfo dai bio-oil, per ridurre l'intensità di carbonio delle unità di trattamento idrogeno esistenti, e come blocco di costruzione per combustibili sintetici (e-fuels) quando combinato con CO2 catturato. Il costo dell'idrogeno verde sta cade rapidamente, rendendolo un'operativo chiave per operazioni di decarbonizzazione di processo di raffineria.

Secondo il International Energy Agency (IEA)[], il consumo globale di mangimi rinnovabili nelle raffinerie dovrebbe triplicare entro il 2030, guidato principalmente da mandati per biocarburanti avanzati e SAF.

Tendenze chiave Guidare il passaggio verso gli alimenti rinnovabili

Varie tendenze interconnesse stanno accelerando l'integrazione delle materie prime rinnovabili nei processi di raffinazione convenzionali e dedicati, che riflettono sia le forze di mercato che i progressi tecnologici.

Alimenti basati su bio: dalla prima generazione alle fonti avanzate

I biocarburanti di prima generazione, realizzati con colture alimentari come il mais e la canna da zucchero, hanno affrontato critiche per competere con la produzione alimentare e causare cambiamenti indiretti all’uso del suolo.

Allo stesso tempo, lo sviluppo delle tecnologie di pretrattamento della biomassa, come l'esplosione di vapore, l'idrolisi acida e la dissoluzione liquida ionica, migliora l'efficienza del rilascio dello zucchero dalla lignocellulosa, consentendo maggiori rese e costi inferiori.

Alghe come risorsa scalabile: progressi e mantenute

Le alghe sono state a lungo salutate come un mangime promettente per il loro alto contenuto di olio (fino al 60% del peso secco in alcuni ceppi) e la capacità di crescere in terreni non arabili e acqua brackish.

Tuttavia, il costo della produzione di biomassa alga rimane una barriera. Le stime attuali pongono il costo a $ 300–$400 per tonnellata secca, rispetto a $30–$80 per la stovatura di mais. Le iniziative di ricerca come il Dipartimento dell’Energia del Programma Algae Biomass hanno fissato obiettivi ambiziosi di costo di $85 per tonnellata secca entro il 2030, che renderebbero gli allevagamenti algal competitivi con oli di scarto per molte applicazioni.

Tecnologie di rifiuti a valore: trasformazione del cestino nel tesoro

La digestione anaerobica dei rifiuti alimentari produce biogas (metano) che possono essere aggiornati a gas naturale rinnovabile (RNG) o riformati in idrogeno. La gassificazione può trasformare flussi di rifiuti commerciali misti in sinasmi, che possono essere convertiti in metanolo, impianti etanolo o idrocarburi sintetici tramite Fischer-Turner.

Una tendenza emergente è la co-elaborazione di bio-oil derivati dai rifiuti nelle raffinerie petrolifere esistenti.Con l'alimentazione di una piccola percentuale (di solito 5-20%) di biocromo o di mangimi a base di lipidi in un cracker catalitico fluido (FCC) o idrotreater, i raffineri possono produrre un prodotto parzialmente rinnovabile senza grandi investimenti di capitale.

Idrogeno verde ed elettrificazione dei processi di raffineria

La produzione di idrogeno verde è una pietra angolare di molte strategie di decarbonizzazione della raffineria. Tradizionalmente, le raffinerie utilizzano l'idrogeno dalla riforma del metano di vapore (SMR) del gas naturale, che emette CO2. La sostituzione con idrogeno elettrolitico dalle rinnovabili può ridurre l'impronta di carbonio delle operazioni di idroprocessing del 50–90%, a seconda della fonte di energia elettrica.

Progetti come la Coalizione di Trasmissione di idrogeno negli Stati Uniti e l'Alleanza Europea per l'Idrogeno Pulito stanno promuovendo la scala di capacità di produzione di elettrolizzatore, mirando a ridurre i costi installati da ~ $ 1,000 / kW oggi a meno di $500/kW entro il 2030. Come la generazione di energia rinnovabile, l'idrogeno verde dovrebbe diventare competitivo con idrogeno grigio entro questo decennio, con implicazioni significative per l'economia di raffineria.

Innovazioni nelle tecnologie di raffinazione per gli alimenti rinnovabili

L'uso di mangimi rinnovabili dipende non solo dalle materie prime stesse ma anche dalle tecnologie che li trasformano in prodotti pronti al mercato, ma anche dalle recenti innovazioni che si articolano sia sulle biorefinerie dedicate che sulle soluzioni integrate di co-processing all'interno delle raffinerie petrolifere esistenti.

Biorefinerie: Piattaforme integrate per l'estrazione massima del valore

Una biorefineria moderna è analoga a una raffineria petrolifera: fraziona la biomassa in più flussi di prodotti, massimizzando i rendimenti economici. Ad esempio, il modello di biorifineria “lignin-first” isola la lignina ad alta purezza (un polimero che può essere convertito in bioplastiche, adesivi e fibra di carbonio) mentre usa la frazione di carboidrati per la fermentazione in etanolo o butanofine.

I progressi nei cocktail di enzimi, sviluppati da aziende come Novozymes e DuPont, hanno migliorato l'efficienza di saccarificazione della biomassa lignocellulosica, riducendo i costi di carico degli enzimi di oltre il 50% rispetto all'ultimo decennio.

Riqualificazione catalitica: assunzione di bio-olio in goccia-in combustibili

I bio-olio crudo prodotti dalla pirolisi veloce contengono alti livelli di ossigeno (fino al 40%), rendendolo corrosivo, termicamente instabile e immiscibile con frazioni di petrolio.

Un altro approccio promettente è l'uso di catalizzanti zeoliti in unità di cracking catalitico fluido (FCC) per co-processare bio-olio a gas sotto vuoto. Ottimizzazione della formulazione catalizzatore e condizioni operative consente ai raffinatori di mantenere elevati rendimenti di benzina e propilene incorporando carbone rinnovabile.

Miglioramenti idrotrattanti e strategie di co-processsing

L'idrogeno, il processo di rimozione dello zolfo, dell'azoto e dell'ossigeno da flussi di idrocarburi con l'idrogeno, è un'unità di cavalleria di lavoro nelle raffinerie. Quando si elaborano mangimi rinnovabili come oli vegetali e grassi, il processo HEFA (esteri idro-trattati e acidi grassi) è diventato la tecnologia dominante per la produzione di diesel rinnovabili.

I reattori di controllo e di controllo delle acque reflue devono essere utilizzati per la produzione di gasolio, in modo da evitare che i reattori di gas non siano in grado di produrre gasolio parzialmente rinnovabile.

Fermentazione e percorsi basati su Syngas

Le rotte di conversione biochimiche, tra cui la fermentazione degli zuccheri all’etanolo, sono commerciali fin dai primi anni 2000. Tuttavia, le vie più recenti permettono la produzione di idrocarburi a più lungo raggio. Ad esempio, le aziende come la LanzaTech utilizzano la fermentazione del gas per convertire i gassosi (da rifiuti gassificati o biomassa) in etanolo, 2,3-butanediolo, e anche l’isopropanolo.

La combinazione di gassificazione a biomassa con catalizzatori FT produce olio grezzo sintetico che può essere ulteriormente idrotrattato. La sfida consiste nell'economia di scala: gli impianti FT richiedono tipicamente grandi spese di capitale e una fornitura uniforme di mangimi per essere economicamente fattibile.

Sfide superanti: costo, scalabilità e supporto di policy

Nonostante i rapidi progressi, l'adozione diffusa di nuovi prodotti di origine rinnovabile nel rifinanziare affronta diversi ostacoli che devono essere affrontati attraverso una continua ricerca, un investimento e un'azione politica.

Alimentatore Costo e Fornitura Volatilità

I rifiuti e i grassi sono già valutati a un prezzo elevato a causa dell'elevata domanda, spesso scambiando sopra il diesel del petrolio su base elettrica. I residui agricoli sono più economici ma richiedono una raccolta costosa, la densificazione e il trasporto.

Scalabilità tecnologica e integrazione dei processi

Molte tecnologie di conversione che funzionano bene a scala pilota incontrano sfide quando scala 100-fold. Limitazioni di calore e di trasferimento di massa, disattivazione catalizzante a causa di impurità, e attrezzature fouling sono problemi comuni. Ad esempio, i gasifier che gestiscono le scorte eterogenee come rifiuti solidi municipali spesso sperimentano la formazione di tar e slagging.

Regolamentazione e Politica

I criteri di valutazione per gli Stati Uniti e RED II hanno fornito segnali a lungo termine della domanda, modifiche frequenti e dibattiti politici creano l’incertezza per gli investitori. I criteri di sostenibilità per gli alimenti (ad esempio, il cambiamento del processo terra, l’impatto sulla biodiversità) stanno diventando sempre più severi, potenzialmente limitando l’uso di alcune fonti come il palmo.

Prospettive future e implicazioni strategiche

Gli analisti del progetto BloombergNEF che la capacità diesel rinnovabile globale potrebbe raggiungere 70 miliardi di litri all'anno entro il 2030, fino a circa 15 miliardi di litri nel 2023, mentre la domanda SAF dovrebbe crescere ancora più velocemente a causa di accordi di offtake aziendale e mandati governativi.

I rifiuti che investono proattivamente nella flessibilità, la capacità di passare tra i materiali fossili e quelli rinnovabili, saranno meglio posizionati per gestire i costi di conformità al carbonio e catturare gli incentivi di mercato emergenti. Ad esempio, una raffineria che può co-processare il 10% di olio di scarto oggi, pur mantenendo la capacità di scalare fino al 30% in quanto l'idrogeno verde diventa disponibile avrà un chiaro vantaggio competitivo.

Inoltre, la dimensione della circolarità non può essere trascurata: poiché le materie prime rinnovabili diventano più prevalenti, l'industria delle raffinerie dipenderà sempre più dalle tecnologie avanzate di riciclaggio e di cattura del carbonio per chiudere il ciclo di carbonio. L'uso di CO2 catturato per produrre metano o metanolo sintetico, attraverso il potere-gas o il potere-liquidi, potrebbe eventualmente fare esportatori netti di raffinerie di combustibili a basso contenuto di carbonio.

In conclusione, la transizione verso le materie prime rinnovabili non è una tendenza marginale ma un punto strategico fondamentale per l'industria della raffinazione globale. Mentre rimangono sfide legate al costo, alla scalabilità e alla coerenza politica, la convergenza dell'innovazione tecnologica, della pressione normativa e della domanda di mercato sta creando un caso convincente per l'adozione accelerata.