Reazioni chimiche con l’energia solare

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Cos’è la chimica solare? Come funziona? Diamo un’occhiata ad alcune configurazioni reattoristiche che sfruttano l’energia solare per far avvenire reazioni chimiche endotermiche. Un’introduzione alla chimica solare e ad alcune configurazioni reattoristiche!
img abstractLa chimica solare è un campo innovativo e molto interessante il cui scopo è produrre carburanti e prodotti chimici utilizzando la radiazione solare. Spesso, quando si parla di energia solare, non si immaginano le reali ed innumerevoli possibilità di utilizzo di quest’ultima: ebbene sì, possiamo utilizzare la nostra stella per far avvenire anche reazioni chimiche.

Più nello specifico, lo scopo della solar chemistry è quello di produrre dei carrier energetici che possano essere utilizzati quando necessario. Per farlo, si devono sviluppare sistemi reattoristici ad alta efficienza e capaci di resistere alle più alte temperature possibili (cioè quando le reazioni chimiche sono più veloci), di avere bassissime perdite di calore e favorire i fenomeni di diffusione di materia e di energia.

Reattori solari

Cos’è un reattore solare, dunque? È un reattore in cui il calore assorbito dalla radiazione solare viene utilizzato per effettuare una reazione endotermica. Endotermico vuol dire – come si può molto facilmente immaginare – che necessita di calore per avvenire, cioè che consuma energia piuttosto che liberarla.

I reattori vengono differenziati in due classi, a seconda di come viene utilizzata la radiazione.

  1. I reattori irradiati in modo indiretto – la prima classe da considerare – posseggono una camera di reazione a pareti opache, che viene riscaldata dall’energia solare. Il flusso di calore dall’esterno ai reagenti, successivamente, permette di far avvenire la reazione.
  2. La seconda classe di reattori, invece, ha potenzialità superiori: si tratta di reattori irradiati in modo diretto, cioè con finestre trasparenti attraverso le quali passa la radiazione solare. È chiaro che la potenzialità termica, a livello di temperatura raggiungibile, è maggiore, poiché è proprio la superficie dei reagenti ad assorbire la radiazione.

La ricerca ha sviluppato maggiormente questa seconda classe di reattori, cercando di utilizzare particelle solide sia per far avvenire la trasformazione chimica, sia per assorbire il calore della radiazione.

Differenti configurazioni reattoristiche

Nell’ambito dei reattori chimici, le differenti configurazioni che possono esistere sono numerosissime. È chiaro che è impossibile descriverle tutte, ma ci accontentiamo di qualche esempio.

Un primo esempio che possiamo citare è quello di reattore ciclonico. Un ciclone è un apparato che viene utilizzato, solitamente, per depolverare delle correnti gassose. Questo sfrutta la forza centrifuga per liberare l’aria dalle polveri presenti in essa; basti pensare per esempio ad un gas di post-combustione, che può portare con sé moltissimi residui solidi.

Nel caso della chimica solare, è stato utilizzato anche per far avvenire reazioni chimiche. Diamo un’occhiata alla figura.

reattore ciclone

Il reattore solare si trova, nel nostro schema, sulla destra. Vi è un ingresso di aria + particelle di carbonato di calcio (CaCO3) ed una camera di reazione in cui si raggiungono temperature fino ai 1300°K (più di 1000°C). All’uscita vi è un ciclone (che serve effettivamente a separare il solido dal gas) ed uno scambiatore di calore (heat exchanger) per raffreddare il gas in uscita.

Il reattore viene utilizzato all’interno di una fornace solare in cui si concentra la radiazione e la reazione che avviene è la calcinazione del carbonato di calcio.

 \ce{CaCO3 -> CaO + CO2}

Questo è un esempio lampante di come utilizzare delle particelle solide sia per assorbire l’energia, sia per effettuare una trasformazione chimica.

Una fornace solare serve a concentrare la radiazione

Una fornace solare serve a concentrare la radiazione

Reattori a letto fluidizzato

I reattori a letto fluidizzato sono una classe di reattori che utilizzano dei solidi allo stato, appunto, fluidizzato. Cosa vuol dire? Se si fa passare un flusso di gas attraverso un letto di particelle solide, arrivati ad un certo punto, il solido inizierà a comportarsi come un fluido. Ciò vuol dire che gli oggetti meno densi galleggeranno sulla sua superficie, mentre quelli più densi affonderanno, oppure che, se viene fatto un buco nel reattore, il solido fluirà come se fosse un fluido.

La fludizzazione, per quanto affascinante e particolare, è chiaramente visibile, poiché il solido comincia a bollire, grazie alla presenza di bolle di gas che attraversano il reattore e che permettono l’agitazione ed una migliore distribuzione di energia (si parla di bubbling fluidized bed).

Una configurazione, a letto fluidizzato, che è stata utilizzata in chimica solare è mostrata in figura. La radiazione solare viene concentrata ed irradia il reattore.

reattore fluidizzato

Questa configurazione è stata sfruttata per il reforming del metano (CH4) con particelle di ossido di zinco (ZnO) e di alluminio (Al2O3), raggiungendo circa il 43% di efficienza.

 \ce{CH4 + ZnO -> CO + 2H2 + Zn (g)}

Le condizioni di fluidizzazione e quindi di temperatura uniforme, così come l’ottima resistenza allo shock termico, rende queste configurazione adatta agli scopi della chimica solare.

Sviluppi della solar chemistry

Abbiamo mostrato solo due configurazioni reattoristiche di questo genere, ma se ne potrebbero citare centinaia. Le applicazioni di questo innovativo campo della chimica sono molteplici e tutte, ovviamente, con delle problematiche, che possono riguardare una bassa conversione del reagente o un cattivo utilizzo della radiazione solare (che non fa raggiungere le temperature necessarie alla reazione!).

La chimica solare potrebbe, dunque, essere una valida alternativa al consumo di fonti fossili per produrre il calore necessario alle reazioni chimiche. Ricercatori, al lavoro!

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