Fattibilità della gassificazione dei rifiuti plastici misti per la produzione di idrogeno e la cattura e lo stoccaggio del carbonio

Comunicazioni Terra e Ambiente volume 3, numero articolo: 300 (2022) Citare questo articolo

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La gassificazione dei rifiuti plastici per la produzione di idrogeno combinata con la cattura e lo stoccaggio del carbonio è un’opzione tecnologica per affrontare la sfida dei rifiuti di plastica. In questo caso abbiamo condotto un’analisi tecnico-economica e una valutazione del ciclo di vita per valutare questa opzione. Il prezzo minimo di vendita dell'idrogeno di un impianto di rifiuti plastici misti da 2.000 tonnellate metriche essiccate in forno al giorno con cattura e stoccaggio del carbonio è di 2,26-2,94 dollari USA kg−1 di idrogeno, che può competere con l'idrogeno da combustibili fossili con cattura e stoccaggio del carbonio (1,21-US$). 2,62 kg−1 di idrogeno) e l'attuale elettrolisi dell'idrogeno (US $ 3,20–7,70 kg−1 di idrogeno). Un’analisi di miglioramento delinea la tabella di marcia per ridurre il prezzo medio di vendita minimo dell’idrogeno da 2,60 dollari a 1,46 dollari per kg−1 di idrogeno, che può essere ulteriormente abbassato a 1,06 dollari per kg−1 di idrogeno se i crediti di carbonio sono vicini ai costi di cattura e stoccaggio del carbonio lungo con un basso costo delle materie prime. I risultati della valutazione del ciclo di vita mostrano che l’idrogeno derivato dai rifiuti plastici misti ha un impatto ambientale inferiore rispetto alla plastica a flusso unico.

La plastica è un materiale cruciale in molti settori, tra cui l’edilizia, gli imballaggi, i trasporti, l’elettronica, il tessile e altri1,2. Nell’ultimo mezzo secolo si è assistito a un rapido aumento della domanda e della produzione di plastica1, con conseguenti notevoli rifiuti di plastica a causa del basso tasso di riciclaggio della plastica. Dal 1950 al 2015, solo il 9% della produzione cumulativa di rifiuti di plastica (6.300 milioni di tonnellate (Mt)) è stato riciclato, rispetto a oltre il 60% scartato (accumulandosi in discarica o nell’ambiente naturale)1. I rifiuti di plastica collocati in discarica o smaltiti e i loro frammenti, ovvero microplastiche e nanoplastiche, hanno causato crescenti preoccupazioni ambientali3,4,5,6. Aumentare il riciclaggio della plastica è una strategia essenziale per ridurre lo smaltimento dei rifiuti di plastica7. Esistono due tipi comuni di riciclaggio della plastica, meccanico (ad esempio, separazione della densità magnetica) e riciclaggio chimico (ad esempio, gassificazione)7. Recentemente, anche un altro tipo di metodo di riciclaggio, il riciclaggio a base di solventi (o denominato riciclaggio fisico), sta attirando l'attenzione8. Le sfide del riciclo meccanico della plastica includono la degradazione termo-meccanica (ad esempio, causata dal riscaldamento e dalla cesoiatura meccanica del polimero)7, la degradazione della plastica (ad esempio, causata dal processo di fotoossidazione durante il ciclo di vita), l'incompatibilità tra diversi polimeri durante il riciclaggio di plastiche miste9 e contaminazioni (ad esempio, rivestimento, inchiostro, additivi, residui metallici o contaminazioni incrociate tra diversi flussi di plastica)9,10. Alcuni rifiuti plastici sono difficili da riciclare meccanicamente a causa della bassa densità apparente (ad es., pellicole), della leggerezza (ad es., polistirene (PS)), del basso valore economico (ad es., PS) e dei pigmenti di nerofumo che assorbono la luce infrarossa e confondono la selezionatrice9,11. Pertanto, fare affidamento solo sul tradizionale metodo di riciclaggio meccanico non è sufficiente per affrontare il crescente volume e la varietà dei rifiuti di plastica. Rispetto al riciclaggio meccanico, i metodi termochimici, come un tipo di riciclaggio chimico, presentano vantaggi nel trattamento dei rifiuti di plastica che sono difficili da depolimerizzare o riciclare meccanicamente a causa di barriere economiche o tecniche7,12. I processi termochimici includono la pirolisi e la gassificazione, che hanno il potenziale per trattare i rifiuti di plastica con un elevato contenuto di energia, carbonio e idrogeno e un basso contenuto di umidità13. I processi termochimici possono produrre una varietà di prodotti e l’idrogeno è un prodotto con un mercato maturo e in crescita14. L'idrogeno è un importante gas industriale ampiamente utilizzato nelle industrie chimiche e di raffinazione del petrolio, può essere utilizzato anche come fonte di energia pulita per i trasporti15. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha stimato che la domanda di idrogeno negli Stati Uniti sarà pari a 22-41 Mt all’anno entro il 2050, data l’enorme necessità di energia pulita16. Attualmente, il 96% della produzione di idrogeno utilizza il reforming di combustibili fossili (ad esempio petrolio, gas naturale e carbone)15. La conversione dei MPW in idrogeno ha il potenziale di ridurre la domanda di combustibili fossili per la produzione di idrogeno e di affrontare le sfide mondiali legate alla rapida crescita dei rifiuti di plastica17. Ad esempio, il piano del programma DOE per l’idrogeno degli Stati Uniti ha evidenziato “diverse risorse nazionali”, tra cui i rifiuti di plastica, come un’importante fonte di produzione di idrogeno16.