Mario Marchionna, Domenico Sanfilippo (SNAMPROGETTI S.p.A.)
L'impiego dell'automobile ha portato nella vita di ogni giorno componenti di efficienza, indipendenza e godimento personale ma purtroppo ha comportato anche un notevole peggioramento della qualità dell'aria; infatti i veicoli alimentati a benzina sono responsabili per ca. 90% delle emissioni di CO, per il 50% di quelle di NOx e per il 40% di quelle di idrocarburi volatili, non si deve poi dimenticare il contributo delle autovetture diesel soprattutto sulle emissioni di NOx e particolato.
Se gli idrocarburi contenuti nei combustibili fossero costituiti solo da carbonio ed idrogeno e se bruciassero perfettamente le uniche emissioni che ne deriverebbero sarebbero di CO2 ed H2O. Purtroppo così non è e si osservano molte altre emissioni: monossido di carbonio (CO) ed aldeidi (prodotti di combustione incompleta); idrocarburi incombusti; ossidi d'azoto (NOx) e di zolfo; benzene ed altri composti tossici (butadiene, ...); piombo (se la benzina lo contiene); composti organici volatili; ozono atmosferico (responsabile dello "smog" fotochimico); particolato, polveri, ... Le emissioni, in genere evaporative, possono essere di diversa natura: possono scaturire durante operazioni di rifornimento (< 5%), possono essere stazionarie, a motore fermo, (ca.10%), possono corrispondere a perdite dal serbatoio con l'autovettura in corsa (ca. 20%), possono essere dovute ai gas di scarico (< 65%). E' evidente che, a seconda del tipo di emissione, si dovranno prendere contromisure di carattere diverso. Per cercare di abbassare il livello delle emissioni, il clima può darci un aiuto, ma in generale sono richieste misure volontarie agenti in diverse direzioni. Programmi di ispezione/manutenzione sono estremamente utili nell'eliminare quella piccola parte del parco macchine (< 2%), responsabile però di una parte importante del peggioramento della qualità dell'aria; misure di pianificazione e controllo del traffico sono particolarmente importanti, anche il nostro stile di guida influenza decisamente il livello di emissioni. L'avanzamento tecnologico nei motori è forse l'aspetto fondamentale nel determinare il miglioramento delle emissioni (soprattutto nel campo del diesel); inoltre, la marmitta catalitica riduce di molto i gas di scarico esausti ma ulteriori progressi sono necessari, soprattutto per quanto riguarda le emissioni a freddo. L'influenza della qualità del combustibile sulle emissioni, aspetto sul quale ci si concentrerà maggiormente, non è l'unico effetto importante ma sicuramente gioca un ruolo rilevante, anche perchè, mentre l'effetto del rinnovamento del parco motoristico si sente in tempi medio-lunghi (dipendenti dal ricambio dell'intera flotta), quello della variazione della qualità ha un effetto immediato sulla qualità dell'aria. Sia in USA che in Europa è stato affrontato questo problema tramite accurati studi (Programmi Auto-Oil) che hanno messo in evidenza le principali correlazioni tra composizioni dei combustibili, tipo di motori ed emissioni osservate. I risultati di questi studi di correlazione tra composizione ed emissioni hanno mostrato che alcune caratteristiche dei combustibili dovevano essere variate: per legge (ad es. "Clean Air Act" in USA), sono state (o stanno per esserlo) variate le specifiche compositive e i raffinatori sono stati quindi costretti a mettere in atto alcune innovazioni di processo o di prodotto per produrre combustibili in accordo con le mutate specifiche. Per quanto riguarda la benzina è stato messo in evidenza che il tenore di zolfo, di benzene, di idrocarburi aromatici e di olefine dovranno essere ridotti; anche la volatilità della benzina dovrà essere ridotta mentre sono da considerarsi componenti desiderati (sia per l'alto numero d'ottano che per la positiva influenza sulle emissioni) composti ossigenati (eteri come MTBE, ...) o composti paraffinici poli-ramificati come quelli contenuti nell'alchilato (iso-ottano, ...). Per quanto riguarda il gasolio un effetto principale sulla riduzione delle emissioni è giocato dalla riduzione dello zolfo (anche sotto 500 ppm) e dall'innalzamento del numero di cetano. Naturalmente per ottenere combustibili con queste nuove specifiche l'impatto sulla raffineria è molto pesante coinvolgendo investimenti ingenti; per minimizzare questo effetto è quindi fondamentale l'innovazione di processo ed in questo campo la catalisi, che già si era dimostrata fondamentale nel passato (cracking catalitico negli anni `30, alchilazione negli anni `40-50, reforming catalitico negli anni `50 e marmitta catalitica a partire dagli anni `70), ha svolto anche negli anni `90 un ruolo decisivo per condurre la raffineria a soddisfare le specifiche di combustibili di migliorata qualità per esigenze ambientali. Le recentissime esperienze sull'impiego della "Reformulated Gasoline", in USA, e della "Cleaner Burning Gasoline", in California, hanno di fatto confermato come questo approccio porti ad una netta riduzione delle principali emissioni. Nel campo delle benzine i principali processi/prodotti coinvolti sono i seguenti: Fluid Catalytic Cracking (FCC): si trasformerà parzialmente da produttore diretto di benzina a produttore anche di intermedi olefinici da convertire poi in prodotti altamente desiderati come eteri o alchilati; Ossigenati: prodotti direttamente per eterificazione di alcoli con iso-olefine, ottenute anche da gas da campo, tramite la deidrogenazione di paraffine. In entrambi questi processi Snamprogetti ha svolto e continua a svolgere un ruolo fondamentale a livello mondiale; Alchilazione: tale processo gioca un ruolo fondamentale; potrebbero imporsi processi innovativi che sostituiscano gli attuali catalizzatori di alchilazione di isobutano con olefine, HF e H2SO4, a basso costo ma tossici e corrosivi; Idrotrattamento benzine: la riduzione dello zolfo è decisiva soprattutto per introdurre marmitte catalitiche ancora più efficienti.
Mentre per quanto riguarda la benzina, sono disponibili diverse alternative di processo per migliorarne la qualità, per il gasolio, prodotto storicamente meno evoluto della benzina, di fatto, due sembrano le vie principali per ottenere in raffineria un gasolio di buona qualità; entrambe coinvolgono processi di idrotrattamento. Se si possiede un greggio di valore, il gasolio che si ottiene per distillazione è di ottima qualità e necessita solo di un processo di Hydrotreating abbastanza blando e dagli investimenti contenuti; in caso contrario si deve ricorrere a processi di Hydrocracking, caratterizzati da condizioni drastiche e da investimenti ingenti. In generale, più la qualità della carica è scadente, più si deve ricorrere a processi di Hydrocracking.
Legato a questi processi è anche il problema della disponibilità di idrogeno, desiderato in sempre maggior quantità per ottenere combustibili ambientalmente più accettabili. Questo problema è assai sentito in raffineria, dal momento che uno dei principali processi produttori di H2, il reforming catalitico, ne produrrà sempre meno in futuro, poichè sarà esercito a minore severità per minimizzare la produzione di aromatici; diventeranno quindi sempre più importanti processi di steam reforming di gas naturale e di gasificazione di residui, anche con co-produzione di energia elettrica.
In conclusione, anche in questi ultimi anni il processo catalitico si è dimostrato un'arma fenomenale nell'aiutare il raffinatore a raggiungere specifiche sempre più severe e a costi compatibili con le esigenze del mercato: le principali chiavi di successo risiedono nell'abilità di integrare differenti discipline (sviluppo del catalizzatore, disegno del reattore, ingegneria di processo, ...) e nella capacità di indirizzarle tutte insieme verso lo sviluppo di un nuovo più efficiente processo.
