Il processo Bergius è un metodo per la produzione di idrocarburi liquidi, come benzina, gasolio e carburante per aerei, da utilizzare come carburante sintetico sviluppato dal chimico tedesco Friedrich Bergius vincitore, insieme a Carl Bosch, del premio Nobel per la chimica nel 1931 «per i contributi all’invenzione e allo sviluppo di metodi chimici ad alta pressione».
Sviluppato in Germania già nel 1911 ma portato su scala commerciale durante la Prima Guerra Mondiale, il processo Bergius prevede l’idrogenazione di carbone, solitamente in polvere, miscelato con olio e un catalizzatore, a caldo e ad alta pressione, per ottenere prodotti prevalentemente liquidi.
Il processo Bergius fu largamente utilizzato in Germania durante la Seconda Guerra Mondiale per produrre carburanti sintetici. Tuttavia, con la fine della guerra e la ripresa dell’approvvigionamento petrolifero, il processo perse importanza a favore di tecnologie più economiche e meno inquinanti.
Attualmente, il processo Bergius ha un interesse prevalentemente storico, anche se i principi di idrogenazione ad alta pressione sono ancora applicati in alcune tecnologie moderne, come la produzione di carburanti da biomasse.
Metodo del processo Bergius
Nel processo Bergius il carbone in polvere viene miscelato con catrame e catalizzatori come ossido di ferro (III) o solfuri metallici alla temperatura di 450 °C sotto flusso di idrogeno a una pressione di circa 200 atmosfere. Nel processo Bergius, il carbone in polvere viene miscelato con catrame o oli pesanti e un catalizzatore, per facilitare la reazione di idrogenazione. La miscela è sottoposta a una temperatura di circa 450 °C e a una pressione elevata di circa 200 atmosfere, in presenza di idrogeno gassoso.
Durante il processo, le lunghe catene carboniose del carbone subiscono una frammentazione termica (cracking) e contemporaneamente si saturano con atomi di idrogeno. Questo porta alla formazione di idrocarburi liquidi, principalmente paraffine e cicloalcani, che costituiscono componenti di benzina e gasolio sintetico.
La reazione complessiva può essere schematizzata, in modo semplificato, come segue:
Carbone (C) + 2 H₂ → CH₄ (metano)
Carbone + idrogeno → idrocarburi liquidi
Le reazioni non sono selettive e generano una miscela di prodotti che richiedono successivi processi di separazione e raffinazione. I principali prodotti del processo Bergius includono benzina sintetica, gasolio e olio combustibile, carburante per aerei, gas leggeri (metano, etano, propano). La miscela ottenuta è sottoposta a distillazione frazionata e ulteriori trattamenti per ottenere frazioni commercialmente utili.
Catalizzatori
Nel processo Bergius, i catalizzatori giocano un ruolo cruciale nel favorire l’idrogenazione del carbone e nel migliorare la resa in idrocarburi liquidi. Il catalizzatore ideale deve essere stabile alle alte temperature e pressioni, promuovere la dissociazione dell’idrogeno molecolare e resistere alla contaminazione da composti solforati.
Tra i catalizzatori più comunemente utilizzati si annoverano:
Ossido di ferro (III) (Fe₂O₃): è il catalizzatore classico impiegato nei primi impianti industriali del processo Bergius. Può essere attivato con promotori come ossido di potassio (K₂O) o ossido di calcio (CaO) per migliorarne l’efficacia.
Triossido di molibdeno (MoO₃): utilizzato come promotore o componente di catalizzatori misti, è particolarmente efficace in combinazione con ossidi di nichel o cobalto.
Ossido di alluminio (Al₂O₃): non attiva da sola, ma spesso utilizzata come supporto per migliorare la dispersione e la stabilità dei catalizzatori.
Possono essere utilizzati solfuri metallici in quanto sono stabili alle alte temperature e pressioni del processo, resistono alla contaminazione da zolfo, comune nei composti carboniosi e favoriscono la dissociazione dell’idrogeno molecolare (H₂) in forma attiva.
Disolfuro di molibdeno (MoS₂): uno dei catalizzatori più attivi, grazie alla sua capacità di facilitare l’idrogenazione selettiva. Spesso impiegato sotto forma di Co-MoS₂ (solfuro di molibdeno-cobalto) e Ni-MoS₂ (disolfuro di molibdeno-nichel). Questi sistemi catalitici presentano una maggiore attività e durata operativa.
Solfuro di ferro (FeS o FeS₂): catalizzatore a basso costo, meno attivo rispetto al MoS₂ ma abbondante e compatibile con l’ambiente di reazione ricco di zolfo.
Solfuri di nichel (NiSₓ) e solfuri di cobalto (CoSₓ): impiegati come promotori nei sistemi a base di MoS₂, contribuiscono ad aumentare l’attività catalitica e la selettività verso idrocarburi leggeri.
La scelta del catalizzatore dipende da vari fattori, tra cui la qualità del carbone utilizzato, la configurazione dell’impianto e le condizioni operative. In genere, i catalizzatori a base di solfuri metallici risultano più resistenti alla disattivazione rispetto agli ossidi, soprattutto in ambienti contenenti composti solforati.
Vantaggi e limiti del processo Bergius
Il processo Bergius rappresenta una delle prime tecnologie sviluppate per la produzione di carburanti sintetici a partire da risorse fossili solide come il carbone. La sua ideazione rispondeva all’esigenza di garantire l’indipendenza energetica, specialmente in contesti di guerra o scarsità di petrolio. Tuttavia, nonostante il suo valore storico e scientifico, presenta vantaggi e criticità che ne hanno condizionato la diffusione e l’adozione su larga scala.
Vantaggi
Produzione diretta di idrocarburi liquidi: Il processo Bergius consente di ottenere carburanti come benzina e gasolio senza passare attraverso intermedi gassosi, come avviene nel processo Fischer–Tropsch. Questo lo rende più immediato dal punto di vista della chimica di conversione.
Utilizzo di carbone: È particolarmente vantaggioso nei paesi con grandi riserve di carbone ma privi di petrolio, come la Germania nel periodo tra le due guerre mondiali. Permette quindi di valorizzare risorse energetiche domestiche.
Alta qualità dei prodotti: I carburanti ottenuti sono generalmente privi di impurità aromatiche e composti insaturi, risultando più puliti e stabili rispetto a quelli di origine fossile tradizionale.
Controllo sulla composizione: Variando le condizioni operative e i catalizzatori, è possibile modulare la distribuzione dei prodotti ottenuti, ottimizzando la resa di frazioni leggere o pesanti a seconda delle necessità industriali.
Limiti
Elevato consumo energetico: Le temperature elevate (~450 °C) e le altissime pressioni (~200 atm) richieste comportano notevoli costi energetici e strutture impiantistiche complesse e costose.
Bassa efficienza complessiva: Solo una frazione dell’energia contenuta nel carbone viene effettivamente convertita in carburanti liquidi. Il rendimento globale del processo è relativamente basso rispetto a tecnologie più moderne.
Problemi ambientali: Il processo produce quantità significative di gas serra (soprattutto CO₂) e residui solidi difficili da smaltire. Inoltre, l’impiego di carbone comporta un impatto ambientale già a partire dall’estrazione.
Disattivazione del catalizzatore: La presenza di zolfo, ceneri e impurità nel carbone può causare la disattivazione precoce dei catalizzatori, rendendo necessarie operazioni frequenti di rigenerazione o sostituzione.
Scarsa competitività economica: Con la scoperta di grandi giacimenti petroliferi e lo sviluppo della petrolchimica, il processo Bergius è divenuto meno competitivo sia in termini di costo che di scala rispetto alla raffinazione del greggio.
Limitazioni nella scalabilità: Sebbene sia stato applicato su scala industriale, l’aumento della capacità produttiva comporta problemi ingegneristici e di sicurezza, soprattutto legati alla gestione dell’idrogeno ad alta pressione.
Confronto tra processo Bergius e processo Fischer–Tropsch
Il processo Bergius e il processo Fischer–Tropsch rappresentano due strategie storiche per la produzione di carburanti sintetici da fonti non petrolifere, sviluppate entrambe in Germania nella prima metà del XX secolo. Pur avendo come obiettivo comune la sintesi di idrocarburi liquidi, si basano su principi chimici differenti, con approcci e implicazioni tecnologiche distinte.
Il processo Bergius, si fonda sull’idrogenazione diretta del carbone. In esso, il carbone, finemente polverizzato, viene miscelato con un agente legante (come il catrame) e un catalizzatore, e successivamente trattato con idrogeno molecolare ad altissima pressione (circa 200 atm) e ad alta temperatura (intorno ai 450 °C). La reazione avviene in fase liquida e consente di ottenere direttamente una miscela di idrocarburi, prevalentemente nella forma di benzina, gasolio e frazioni medie.
Al contrario, il processo Fischer–Tropsch, sviluppato da Franz Fischer e Hans Tropsch nel 1925, si articola in due fasi distinte. In un primo stadio, si effettua la gassificazione del carbone o di un’altra fonte carboniosa per ottenere syngas, ovvero una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H₂). Nella fase successiva, questo syngas viene fatto reagire su un catalizzatore metallico (generalmente ferro o cobalto) a temperature comprese tra 150 e 300 °C e a pressioni più moderate (10–40 atm), generando una vasta gamma di idrocarburi a catena lineare, alcoli, cere e carburanti liquidi.
Una delle principali differenze tra i due processi risiede nella gestione della materia prima: il Bergius lavora direttamente sul carbone, mentre il Fischer–Tropsch necessita di un syngas intermedio. Ciò implica che il processo Bergius sia intrinsecamente più diretto, ma anche più severo dal punto di vista ingegneristico, richiedendo impianti capaci di resistere a condizioni estreme di pressione e temperatura.
In termini di prodotti finali, il processo Bergius fornisce idrocarburi prevalentemente di peso molecolare medio, ideali come carburanti liquidi, con una composizione relativamente omogenea e priva di composti aromatici. Il Fischer–Tropsch, invece, può essere modulato in base al catalizzatore e alle condizioni operative per ottenere un’ampia gamma di composti, inclusi carburanti diesel di altissima purezza, gas sintetico, alcheni e cere.
Dal punto di vista della flessibilità e della sostenibilità, il Fischer–Tropsch mostra un netto vantaggio. Infatti, il syngas può essere ottenuto non solo dal carbone, ma anche da gas naturale (GTL, Gas to Liquids) e da biomasse (BTL, Biomass to Liquids), rendendolo un processo più adattabile alle esigenze della transizione energetica. Il Bergius, invece, resta vincolato all’utilizzo del carbone, una risorsa abbondante ma ad alto impatto ambientale.
Pertanto mentre il processo Bergius ha rappresentato una pietra miliare nella storia della chimica industriale per la produzione di combustibili sintetici, il processo Fischer–Tropsch, grazie alla sua maggiore versatilità, efficienza e compatibilità con fonti rinnovabili, si è affermato come la base delle moderne tecnologie per la produzione sostenibile di carburanti liquidi.