Come noto tutti i materiali organici (biomasse, plastica, carta ecc) sono composti da lunghe catene polimeriche, contenenti sempre carbonio ed idrogeno, e talvolta ossigeno, azoto, cloro (solo nel PVC).
Il riscaldamento di un materiale organico a temperature indicativamente superiori ai 250-350 °C porta ad una rottura delle molecole che compongono il materiale, con la formazione di frammenti più piccoli. Tale fenomeno è detto pirolisi. Naturalmente anche i frammenti prodotti dalle prime fasi della pirolisi possono a loro volta rompersi, dando luogo alla formazione di molecole ancora più piccole, per arrivare a produrre idrocarburi semplici come metano, etano, ecc, che, essendo gassosi, si allontanano immediatamente dal materiale che sta pirolizzando, andando costituire il gas di pirolisi.
I frammenti più grandi, al contrario, tendono a restare ancora in fase liquida (o solida) continuando ad evolvere. D’altra parte, a causa dell’alta temperatura, parte di questi può comunque evaporare dando luogo alla formazione dei tar (catrami). Questo prodotto è liquido a temperatua ambiente e gassoso se riscaldato.
Se il materiale da cui si parte ha un elevato rapporto carbonio/idrogeno il processo di pirolsi prosegue fino alla completa volatilizzazione del materiale, che quindi si trasforma praticamente tutto in tar e gas.
Qualora invece la struttura originaria lo consenta, oltre alle razioni di rottura delle molecole descritte sopra, si instaurano delle altre dette di condensazione che portano il materiale non ancora volatilizzato a perdere idrogeno, per arrivare ad essere costituito quasi solo da carbonio. Il prodotto di queste razioni è quindi un solido carbonioso, chiamato residuo di pirolisi (char).
La pirolisi porta quindi in generale alla formazione di tre prodotti diversi: gas leggeri, tar e residuo. Le percentuali di questi prodotti sono variabili a seconda del materiale di partenza. In generale però si può dire però che la frazione più rilenvante è il tar (almeno il 50%), mentre i gas leggeri sono sempre inferiori al 25-30% del materiale originario.
Il problema maggiore del processo di pirolisi è costituito dal tar e secondariamente dal residuo. Il tar sarebbe in teoria un liquido combustibile ad alto potere calorifico, tuttavia, nella maggioranza dei casi risulta del tutto inutilizzabile.
I motivi sono svariati:
- il tar è formato in condizioni incontrollate, e presenta frequenti insaturazioni (doppi legami C-C) che in certe condizioni possono dar luogo a polimerizzazioni successive, trasformando il tar originario in un liquido diverso o peggio in un solido
- il tar spesso contiene dei gruppi acidi (se si parte da materiali contenenti ossigeno) e quindi può essere corrosivo.
Il residuo carbonioso in forma di tizzoni (nel caso del legno) o di solido più o meno coerente sarebbe teoricamente meno critico; tuttavia è facile capire che partire da un combustibile solido per ottenere un altro combustibile solido potrebbe in generale non essere una condizione accettabile.
La gassificazione
La gassificazione dal punto di vista teorico è la trasformazione dei prodotti di pirolisi in un gas composto da CO , H2, e tracce di CH4.
Questa trasformazione può essere ottenuta mediante reazione dei prodotti di pirolisi direttamente con ossigeno o con molecole contenenti ossigeno (vapore acqueo, CO2); in ogni caso, il gas utilizzato, che sia aria, ossigeno puro, CO2 o vapore, è detto agente gasificante.
Nel primo caso la gassificazione genera calore, ed il processo è esotermico, mentre nel secondo il processo assorbe calore, e le razioni sono globalmente endotermiche.
Le reazioni che generano calore portano ad un innalzamento locale della temperatura per cui tendono ad autoalimentarsi dopo che sono state innescate, al contrario quelle endotermiche richiedono che l’agente gasificante e gli stessi prodotti di pirolisi siano a temperatura maggiore di 1000 °C per poter procedere.
Molto spesso l’agente gasificante contiene sia ossigeno che CO2 o vapore, in tal caso parte del calore prodotto dalle reazioni endotermiche viene reimpiegato direttamente dalle reazioni endotermiche.
Le definizioni de due processi date sopra sono quelle scientifiche, comunemente però con gassificazione si tende ad indicare un processo composto sia dalla fase di pirolisi che da quella di gassificazione propriamente detta.