gei era 2012 - Istituto di Tecnologie Avanzate per l'Energia "Nicola ...

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gei era 2012 - Istituto di Tecnologie Avanzate per l'Energia "Nicola ...

editorial

EDITORIALE

di FERRUCCIO TRIFIRÒ

La strategia per l’energia del

nostro Paese per i prossimi 20 anni

Finalmente dopo venticinque anni, proprio in chiusura dell’anno internazionale dell’energia sostenibile è uscito un documento da parte

del nostro Governo sulle strategie future per l’energia del nostro Paese, il SEN (strategia per l’energia nazionale). Il documento parte

dall’individuazione dei principali problemi del nostro Paese nel settore dell’energia, che sono i seguenti: i prezzi dell’energia per imprese

e famiglie sono molto superiori rispetto a quelli degli altri Paesi europei, la scarsa sicurezza soprattutto nei momenti di punta dell’approvvigionamento

delle materie prime fossili che provengono quasi tutte dall’estero, in particolare per il gas, e le difficoltà economico-finanziarie

degli operatori del settore.

A partire da questi problemi gli obiettivi da raggiungere sono: ridurre significativamente la differenza del costo dell’energia con un allineamento

ai prezzi e costi europei; raggiungere e superare gli obiettivi ambientali definiti dal pacchetto europeo Clima-Energia 2020

(cosiddetto “20-20-20”); continuare a migliorare la nostra sicurezza di approvvigionamento, soprattutto nel settore gas; ridurre la

dipendenza dall’estero e favorire la crescita economica sostenibile attraverso lo sviluppo della filiera industriale dell’energia. Per raggiungere

questi obiettivi gli strumenti a disposizione sono: la promozione dell’efficienza energetica per la quale si prevede il superamento

degli obiettivi europei; far diventare il nostro Paese un crocevia per l’ingresso del gas naturale in Europa, essendo previsto un

forte aumento del suo consumo in Europa nei prossimi 15-20 anni; sviluppare le energie rinnovabili, per le quali si intende superare

gli obiettivi europei; sviluppare un mercato elettrico pienamente integrato con quello europeo; ristrutturare la raffinazione e la rete di

distribuzione dei carburanti; sviluppare la produzione nazionale di idrocarburi, con importanti benefici economici e di occupazione e

nel rispetto dei più elevati standard internazionali in termini di sicurezza e tutela ambientale, tenendo conto che il nostro Paese dispone

di ingenti riserve di gas e petrolio; la modernizzazione del sistema di governance, ossia rafforzare e coordinare la partecipazione

italiana alla cosiddetta fase ascendente dei processi decisionali internazionali (soprattutto europei), migliorare e semplificare il coordinamento

“orizzontale” a livello nazionale e migliorare il coordinamento dell’azione tra Stato, Regioni e Enti locali.

Occorre, dunque, spingere la ricerca a sviluppare tecnologie di avanguardia con priorità nei seguenti settori: ricerca sulle tecnologie

rinnovabili innovative, in particolare quelle in ambito solare a concentrazione e dei biocarburanti di seconda generazione; sviluppo di

tecnologie per uso efficiente dell’energia e uso sostenibile dei combustibili fossili; ricerca sulle reti intelligenti (smart grids), anche per

facilitare la generazione distribuita, e sui sistemi di accumulo; ricerca su materiali e soluzioni di efficienza energetica e loro trasferimento

tecnologico; sviluppo di alcuni progetti sui metodi di cattura e confinamento della CO2 . Nel documento sono riportate anche

le previsioni sulle fonti che saranno utilizzate nel 2030 nel mondo: il gas e le rinnovabili saranno sempre più in espansione, a scapito

soprattutto del petrolio, che perderà quote importanti, mentre carbone e nucleare manterranno sostanzialmente la loro quota di mercato

attuale. In particolare è previsto che nel mondo nel 2030 le rinnovabili raggiungeranno la quota del 14%, il gas il 25%, il carbone

si stabilizzerà al 30% ed il nucleare al 5%, mentre il petrolio diminuirà al 28%. Quindi a medio e lungo termine le fonti fossili copriranno

ancora l’80% del fabbisogno energetico ed il nostro Paese, dopo avere perso molte delle industrie energifore (chimiche, metallurgiche,

ceramiche e della carta) ci si augura che potrà recuperarle con questa nuova strategia.


summary

SOMMARIO

summary

1 EDITORIALE

La strategia per l’energia del

nostro Paese per i prossimi 20 anni

di Ferruccio Trifirò

4 BUSINESS

news

15

C&I 09 Nov./Dic. 2012

MENSILE NOV./DIC. 2012 N°09 - € 11 - SPED. IN A.P. - D.L. 353/2003

(CONV. IN L. 27/02/2004 N°46) ART.1, COMMA 1 -DCB MILANO - ISSN 0009-4315

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CHIMICA

&MERCATO

Attualità

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ATTUALITÀ - PERSONAGGI - TREND

2° FORUM ITALIANO SULLE BIOTECNOLOGIE

INDUSTRIALI E LA BIOECONOMIA

Biotecnologie industriali e bioeconomia

3 a CONFERENZA NAZIONALE

SU CHIMICA & ENERGIA

Chimica & Energia per una migliore efficienza energetica

18° RAPPORTO ANNUALE RESPONSIBLE CARE

Per un’industria sempre più etica

TECHNOLOGY & SCIENCE

Arriva Chematica, il google per i chimici

2 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

ANNO

94

24

28 PRIMO PIANO

Quest’anno ricorrono i 100 anni di attività

dell’azienda in Italia, ed il prossimo anno

si festeggeranno i 150 anni della fondazione

della società a Bruxelles da parte

di Ernest Solvay. Per celebrare questi

importanti traguardi è stata allestita

una mostra-evento alla Triennale di Milano

dal titolo “La nostra energia è il futuro”.

80

INTERVISTA

La Commissione Europea ha richiesto

l’allineamento di 9 direttive comunitarie

al Nuovo quadro legislativo (NLF - New

Legislative Framework). Tra queste non

è stata inserita la Direttiva PED (Direttiva

Apparecchi a Pressione), entrata in vigore

10 anni fa. La CE ha ritenuto necessario

effettuare un’indagine in 13 paesi, tra cui

Italia, Germania, UK, Francia, per valutare

l’opportunità di una vera e propria revisione

della Direttiva. Ne abbiamo parlato con il

neoeletto presidente UCC Luca Pellizzer.

34 END-USER

InterApp è un'azienda tecnologica e di project

management che vanta 40 anni di esperienza

e una tecnologia con licenza esclusiva nel

settore delle valvole e dei fluidi. Sviluppa

soluzioni per i settori industriali deltrattamento

delle acque, della Power Gene ration,

dei processi chimici e della Life Science.

40 GRANDANGOLO

Un’importante società farmaceutica

estende le proprie attività al settore degli

alimenti per pesci, usando l’attuale

impianto di fermen tazione e la soluzione

all’avanguardia per il controllo di

processo di Rockwell Automation.

45 DOSSIER

MANUTENZIONE & SICUREZZA

meeting & exhibition

EVENTI

24

28

34

40


sommario

summary

Attualità

Polo verde a Marghera: forse

riparte una chimica nuova

di Ferruccio Trifirò

Il 4° Euchems Chemistry

Congress di Praga

di Francesco De Angelis,

Sergio Facchetti, Bruno Pignataro

Scuola Efcats 2012

“Recent Advances and

New Trends in Catalysis”

di Alberto Naldoni, Nicola Scotti

Domenico Spinelli:

ottant’anni alla grande,

e non li dimostra

di Giorgio Cevasco

Chimica &...

GEI ERA 2012

GEI ERA 2012:

le sfide dell’elettrochimica

di Aldo Magistris, Massimiliano Lo Faro,

Vincenzo Baglio, Catia Cannilla

Elettrochimica e fotovoltaico

di Ilaria Bencistà

Elettrochimica e fonti

energetiche rinnovabili

di Rosa Bonelli, Ruben Ornelas,

Francesco Matteucci, Michele Rialti

Cermet anodici

innovativi per bio-SOFC

di Giuseppe Bonura, Catia Cannilla,

Manuela Cordaro, Aldo Mezzapica,

Francesco Frusteri

Fuel cells microbiche

a camera singola:

bioanodo e biocatodo

di Edoardo Guerrini, Matteo Grattieri,

Giorgio Lubatti, Pierangela Cristiani,

Stefano Trasatti

SOFCpower:

una realtà italiana nel

campo dell’energia distribuita

di Dario Montinaro, Massimo Bertoldi

Nuovi nanomateriali

per (bio)sensori

di Salvatore Gianluca Leonardi,

Nicola Donato, Davide Aloisio,

Luca Lombardo, Emilio Patti,

Mariangela Latino, Giovanni Neri

Supporti di carbonio

mesoporosi per

elettrocatalizzatori

per celle a combustibile

di Juqin Zeng, Alessandro Hugo

Monteverde Videla, Carlotta Francia,

Claudio Gerbaldi, Stefania Specchia

86

88

91

94

96

98

102

107

112

118

122

126

98

Accumulatori litio-ione,

elementi chiave per una

politica energetica sostenibile

di Giuseppe Antonio Elia,

Maria Assunta Navarra

Biogas, un’opportunità

per le SOFC

di Antonio Vita, Massimiliano Lo Faro,

Massimo Laganà, Maurizio Minutoli,

Lidia Pino, Antonino Salvatore Aricò

Sensori amperometrici

innovativi

di Barbara Zanfrognini

GREEN CHEMISTRY

Chimica verde,

chimica sostenibile

di Angelo Albini

Nuove possibilità per la

valorizzazione di pneumatici

usati: la pirolisi a microonde

di Andrea Undri, Luca Rosi,

Marco Frediani, Piero Frediani

L’attivazione alcalina

per la stabilizzazione

dei rifiuti pericolosi

di Isabella Lancellotti, Chiara Ponzoni,

Luisa Barbieri, Cristina Leonelli

Chimica analitica verde.

Problematiche ed opportunità

di Luisa Pasti, Elena Sarti, Nicola

Marchetti, Alberto Cavazzini,

Francesco Dondi

Sintesi sostenibili con CO

di Riccardo Tassini, Giorgio La Sorella,

Davide Montin, Stefano Paganelli,

Franco Baldi, Oreste Piccolo

Liquidi ionici: valutazione

dell’ecotossicità e

degli effetti biologici

di Paola Galletti, Danilo Malferrari,

Chiara Samorì, Emilio Tagliavini

130

135

140

145

146

149

152

157

162

102

Flashback

PAGINE DI STORIA

Sale, chimica e idrocarburi

a Salsomaggiore

di Carlo Giavarini

La parola a Bernthsen

di Marco Taddia

Recensioni

LIBRI 175

Highlights

AMBIENTE

di Luigi Campanella

TECNOLOGIE

INNOVATIVE

a cura di Pierfausto Seneci

LA CHIMICA

ALLO SPECCHIO

di Claudio Della Volpe

Sci Informa

Informazioni dalla

Società Chimica Italiana

168

173

In ricordo di

A cinquant’anni dalla

scomparsa il ricordo 174

di un promotore dell’industria

chimica per lo sviluppo

del Paese: Enrico Mattei

di Paolo Zanirato

176

178

179

180

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 3


news

BUSINESS

b u s i n e s s t r e n d s p e o p l e

WHO WHERE

Comsol

Rilasciata all’Ottava Conferenza Europea COMSOL

la Versione 4.3a di COMSOL Multiphysics

Le novità della Versione 4.3a

di COMSOL Multiphysics:

- LiveLink for Excel ®

• Esecuzione delle simulazioni COMSOL direttamente da Microsoft

Excel.

• Importazione di file Excel in COMSOL.

- Fatigue Module

• Analisi a fatica basata sulla valutazione dello stato di sforzo e

deformazione.

- ECAD Import Module

• Importazione di layout ECAD con nuove funzionalità di filtro per

celle, reti e livelli.

- LiveLink for Solid Edge ®

• Associatività bi-direzionale per file creati con il software Solid Edge

4 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

WHAT

Dal 10 al 12 ottobre, presso il Marriott Hotel di Milano, si è svolta l’Ottava Conferenza Europea COMSOL,

evento con risonanza mondiale dedicato alla modellazione e alla simulazione multifisica.

Multiphysics Simulation in Microsoft ® Excel ®

Fatigue Module Computes Structural Fatigue Life

Ogni anno le Conferenze COMSOL riuniscono ingegneri e ricercatori provenienti

da industrie, università ed enti governativi e di ricerca, con l’obiettivo di

condividere le best practices e le tecniche di modellazione e simulazione di

applicazioni multidisciplinari. Quest’anno oltre 400 partecipanti, provenienti da

36 paesi, hanno seguito i 27 minicorsi e tutorial in programma, le panel discussion,

gli eventi di networking e hanno assistito ai keynote di industrie leader

del settore e alle presentazioni degli utenti di COMSOL Multiphysics.

Nella poster session sono stati illustrati oltre 120 casi, selezionati da una giuria

che ne ha poi indicato i più meritevoli di attenzione. Anche il pubblico ha

votato il lavoro ritenuto più interessante, scegliendo il poster italiano "Ribbon

Formation in Twist-Nematic Elastomers", presentato da LaMS – Modelling &

Simulation Lab, Università degli Studi Roma Tre (Prof. Luciano Teresi e Valerio

Varano). In occasione della Conferenza è stata inoltre rilasciata la nuova

Versione 4.3a di COMSOL Multiphysics, il pluripremiato ambiente di modellazione

e simulazione multifisica leader di mercato. Ancora una volta le richieste

e i feedback degli utenti hanno svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo

della release, contribuendo in modo significativo all’introduzione di nuove

importanti funzionalità. Il nuovo LiveLink for Excel ® , per esempio, consente

di collegare i risultati delle simulazioni a fogli i calcolo. Inoltre, grazie alla nuova

tecnologia di cluster computing sulla piattaforma Amazon Elastic Compute

Cloud (Amazon EC2), vengono ampliate le possibilità di sfruttare la simulazione

multifisica per la progettazione e l’ottimizzazione di tecnologie e prodotti

innovativi ovunque, dal desktop al cloud. Con la versione 4.3a debuttano

nella suite dei prodotti COMSOL nuovi moduli per l’analisi della fatica e per

l’importazione di file ECAD, ma anche il nuovo LiveLink for Solid Edge ® , il

software CAD prodotto da Siemens PLM Software. Infine, tutti gli oltre 30

moduli specifici per la simulazione di applicazioni meccaniche, elettriche, fluide

e chimiche sono stati potenziati e aggiornati.

CAD di Siemens PLM Software.

- Cloud Computing

• Supporto del Cloud Computing con Amazon Elastic Compute

Cloud (Amazon EC2).

- Ottimizzazione Parametrica

• Ottimizzazione basata sulle dimensioni del modello geometrico o

altri parametri.

- Solutori CFD più Efficienti

• Solutori ottimizzati per simulazioni di flusso e nuovi metodi per l’analisi

di problematiche di interazione fluido-struttura.

- Calcolo parallelo velocizzato.

Un video che descrive le principali novità contenute nella

versione 4.3a è disponibile all’indirizzo www.comsol.it/4.3a.


What Where

What Where

COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics è l’ambiente software di modellazione e

simulazione di sistemi fisici noto per la sua innata capacità di modellare

e simulare fenomeni multifisici.

I suoi moduli opzionali ne permettono il potenziamento mediante

strumenti specifici per diverse discipline come acustica, batterie e

celle a combustibile, ingegneria chimica, elettromagnetismo, fluidodinamica,

geomeccanica, trasporto di calore, MEMS, particle tracing,

plasmi e meccanica strutturale.

COMSOL Multiphysics e tutti i suoi moduli possono essere facilmente

integrati con altri strumenti CAD, CAE ed ECAD, attraverso l’utilizzo

di funzionalità o prodotti aggiuntivi.

Alcuni dei possibili ambiti

applicativi di COMSOL Multiphysics:

• Fluidodinamica (CFD)

• Ingegneria delle Reazioni Chimiche

• Trasporto di Calore e Cambiamento di Fase

• Microfluidica

• Batterie & Pile a Combustibile

• Elettrochimica

info@veoliawaterst.it | www.veoliawaterst.it

Service | Value | Responsibility

• Acustica & Vibrazioni

• Didattica

• Elettromagnetismo

• Geofisica

• Magnetoidrodinamica

• MEMS & Dispositivi Piezoelettrici

• Bioscienze & Bioingegneria

• Nanotecnologie

• Elettrodinamica

• Flussi in Mezzi Porosi

• Particle Tracing

• Fenomeni di Trasporto

• Metodi Numerici

• Ottica, Fotonica & Plasmonica

• Ottimizzazione

• Fisica dei Plasmi

• Meccanica Quantistica

• RF & Microonde

• Dispositivi a Semiconduttore

• Sensori e Attuatori

• Meccanica Strutturale

EVALED: Un salto verso l’evoluzione

Nuova generazione di evaporatori per il trattamento di acque

refl ue industriali

Massima flessibilità e capacità di adattamento ai refl ui più diffi cili

Migliori prestazioni grazie ad innovative scelte tecniche

Ulteriore riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO2 Nuovo sistema di pulizia chimica in automatico

Monitoraggio più accurato e controllo della macchina anche da remoto

Minor ingombro e possibile installazione esterna

Service: Consulenza | Analisi chimiche

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di consumo e prodotti chimici | Manutenzione

Noleggio di unità mobili Aquamove TM


news

BUSINESS

6 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

b u s i n e s s t r e n d s p e o p l e

WHO WHERE

WHAT

ABB

Impianto di generazione in Turchia

ABB si è aggiudicato un ordine del valore di circa 35 milioni di dollari per la

fornitura di una soluzione elettrica e d’automazione chiavi in mano per un

impianto Termoelettrico da 290 MW a Yunus Emre, nella parte nordoccidentale

della Turchia. L’impianto sarà conforme ai più recenti standard dell’Unione

europea in fatto di controllo delle emissioni degli impianti a carbone.

L’ordine è stato assegnato da Vitkovice Power Engineering, l’EPC contractor

del progetto, con sede in Repubblica Ceca.

L’impianto appartiene alla società consociata di Naksan Holding Adularya

Energy. La soluzione chiavi in mano di ABB comprende la progettazione, l’ingegneria,

l’installazione, la messa in servizio, la fornitura delle apparecchiature

elettriche e di quelle per l’allacciamento alla rete, inclusa la sottostazione in

alta tensione. Prodotti fondamentali della fornitura saranno i trasformatori di

potenza e ausiliari, gli interruttori di macchina, i quadri di media e bassa tensione,

i sistemi di protezione, una sottostazione a 380 kV isolata in aria e

sistemi di controllo e protezione per la connessione alla rete di distribuzione.

Le due unità di generazione di energia di entrambe le unità saranno controllate

dall’innovativa piattaforma di automazione totale d’impianto Symphony

Plus. Progettato per le centrali di generazione di energia e il settore dell’acqua,

questo sistema offre un’architettura semplice e una piattaforma di controllo

scalabile al fine di automatizzare le diverse aree dell’impianto.

Il prodotto permette integrazione senza soluzione di continuità degli strumenti

e dei sistemi d’impianto e fornisce un ambiente di controllo affidabile per

prevenire accessi non autorizzati.

FOSTER WHEELER

Contratto di consulenza per la cattura e trasporto di CO 2 in Cina

Foster Wheeler AG ha recentemente annunciato che un’affiliata del Global Engineering and Construction Group ha acquisito un contratto

dal World Bank Group per fornire servizi di consulenza nel settore della cattura e trasporto della CO 2 in Cina.

La World Bank ha lanciato un programma di assistenza e consulenza tecnica in Cina per aumentare la cultura del Paese sul tema e la sua

capacità di applicazione delle tecniche di cattura e stoccaggio della CO 2 (CCS). Foster Wheeler darà il proprio contributo a questo programma,

finanziato dalla World Bank nell’ambito del suo CCS Trust Fund, che ha l’obiettivo di sviluppare il know-how e le capacità tecniche per

questa tecnologia nei Paesi in via di sviluppo. Lo scopo principale per Foster Wheeler è di consolidare le conoscenze in questo settore della

China Power Investment Corporation (CPI), uno dei più grandi produttori di energia in Cina, e delle istituzioni governative cinesi. I servizi forniti

da Foster Wheeler saranno completati nel mese di giugno 2013.


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news

BUSINESS

b u s i n e s s t r e n d s p e o p l e

WHO WHERE

WHAT

Siemens

Punta sulle energie rinnovabili con le divisioni Wind e Hydro Power

Coerentemente con quanto stabilito nel Programma 2014, Siemens intende modificare la strategia di business e la struttura organizzativa

legate alle energie rinnovabili. L’azienda prevede il disinvestimento dal solare e la concentrazione sull’eolico e sull’idroelettrico delle proprie

attività nell’ambito delle energie rinnovabili. Conseguentemente, il Settore Energy viene ridimensionato e la divisione Solar & Hydro

cessa l’attività. Siemens, inoltre, intende separare le attività nel campo del fotovoltaico da quelle inerenti la divisione Solar & Hydro, e sta

portando avanti colloqui per la vendita di queste attività. Siemens continuerà a garantire l’offerta di prodotti per gli impianti solari termici e

fotovoltaici, come ad esempio turbine vapore, generatori, tecnologie per le reti, e sistemi di controllo, che sono prodotti al di fuori della

divisione Solar & Hydro. Le due Business Unit, Solar Thermal Energy e Photovoltaic, proseguiranno le loro attività fino alla vendita.

Le attività idroelettriche includono la joint venture con Voith Hydro per la realizzazione dei tradizionali impianti idrici e per il business delle

turbine in mare, acquisito integralmente nella primavera 2012. “L’importanza delle energie rinnovabili nel mix energetico globale continuerà

a crescere. L’energia idrica e quella eolica rimarranno le fonti principali tra quelle rinnovabili, ed è quindi in questi ambiti che si concentreranno

le nostre attività. Più di 7.000 dipendenti lavorano nella divisione Wind Power e altri 2,000 nel relativo service business; la divisione

inoltre, possiede un backlog di oltre 10 miliardi di euro. Siemens è leader nel mercato offshore dell’energia eolica e stiamo facendo

importanti progressi anche nel mercato onshore”, ha dichiarato Michael Süß membro del Managing Board di Siemens. In futuro, il Settore

Energy comprenderà le divisioni Fossil Power Generation (centrali termoelettriche), Wind Power, Oil & Gas (soluzioni per l'industria petrolifera

e del gas e delle piccole e medie centrali termoelettriche) e Power Transmission.

Honeywell

Controllo e sicurezza di una raffineria in Suriname

8 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Honeywell ha annunciato di essere stata scelta dalla Staatsolie, compagnia di

Stato degli idrocarburi e dell’energia sostenibile, per l’ammodernamento dei

sistemi di sicurezza e controllo della raffineria in Suriname, utilizzando il sistema

integrato ICSS. L’ammodernamento sarà realizzato nel contesto di espansione

della raffineria sulla base di un progetto gestito da Saipem in qualità di main

contractor, responsabile dell’engineering, del procurement, della prefabbricazione

moduli e del construction management. Sviluppata sui punti di forza dell’architettura

di Honeywell Experion Process Knowledge System (PKS), la soluzione

ICSS garantisce sicurezza e controllo delle applicazioni critiche. Il progetto

comprende l’espansione delle soluzioni Honeywell di Alarm Management,

Operational Insight Software e OPC Desktop Historian, attualmente installate

nella raffineria. Questa serie di strumenti permetterà a Staatsolie il monitoraggio

automatico dei cambiamenti del sistema e fornirà una piattaforma per la collaborazione

interdipartimentale, consentendo la comunicazione dei dati, dalla

sorgente alle applicazioni degli utenti, in formato standardizzato.


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news

BUSINESS

10 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

b u s i n e s s t r e n d s p e o p l e

AssICC

Il chimico, la professione del futuro

WHO WHERE

Associazione ACISM

Giuseppe Bonazzi eletto Presidente

WHAT

Giuseppe Bonazzi è stato nominato Presidente di ACISM, l’Associazione dei costruttori di strumenti

di misura che, in seno ad ANIMA/Confindustria, raggruppa le più qualificate e prestigiose

aziende del settore.

Laureato in Ingegneria Meccanica, Master in Business Administration, milanese di 56 anni,

Bonazzi ha maturato gran parte della propria esperienza professionale lavorando – dal 1987 –

per la ITRON (ex Schlumberger Industries e Actaris), svolgendo mansioni manageriali in ambito

tecnico, produttivo e commerciale, per poi assumere – dal 2001 – il ruolo di Direttore Generale

della divisione italiana. Sempre in Itron, dal 2003 al 2011, è stato responsabile anche dell’area

Sud Europa. Dal 2006 ha ricoperto il ruolo di vice presidente dell’Associazione.

Giuseppe Bonazzi sarà affiancato da Paolo Demaria, Responsabile Marketing di Tokheim Sofitam

Italia, eletto alla Vice Presidenza, e dai Coordinatori dei Gruppi di ACISM: Emilio Barbieri

(Elster), Sandro Marcon (Maddalena), Sandro Minuti (Gilbarco), Davide Singuaroli (GE Energy).

Lo scorso 13 ottobre si è tenuto

il Convegno “Il Chimico, una professione

da riscoprire” presso l’Istituto

Tecnico Industriale "E.

Molinari" di Milano, patrocinato

dall’AssICC, Associazione Nazionale

del Commercio Chimico –

Confcommercio, che ha visto l’adesione

di Maria Grazia Guida,

Vice sindaco di Milano con delega

all’Educazione e Istruzione, e

di Michele Sacerdoti, Presidente

Commissione Lavoro, Attività

Produttive e Sicurezza del Consiglio

di Zona 3. “È importante far

conoscere ai giovani le molteplici

possibilità professionali offerte

dal comparto del Commercio

Chimico Italiano.

Ancora una volta vogliamo essere

la cerniera che unisce la scuo-

Il Presidente Marco Coldani

la e l'azienda, i due lembi di uno

stesso abito: il mondo del lavoro. C’è ancora una forte distanza tra la

richiesta delle aziende chimiche di figure professionali specifiche e l'effettiva

offerta di giovani”, ha commentato Marco Coldani (SIMP SpA), Vice

Presidente AssICC. Recenti dati, infatti, hanno confermato che tutti gli

allievi degli Istituti Tecnici Chimici alla fine del loro percorso di studi vengono

contattati dalle imprese: 8 su 10 trovano subito impiego, gli altri proseguono

gli studi. Sono ancora pochi però i giovani che decidono di intraprendere

questo percorso.

Air Liquide

Acquisita Lentechgas

Air Liquide ha appena completato l'acquisizione dell'azienda

Lentechgas, con sede a San Pietroburgo. Lentechgas è

leader nel nord-ovest del paese – un’area chiave per le

industrie russe dell'auto, dei cantieri navali e dell'agroalimentare,

che rappresentano mercati in rapida crescita che

richiedono quantità sempre maggiori di gas – con una

quota di mercato significativa nei gas industriali liquidi e

condizionati e una forte posizione nella sanità. Attualmente

Lentechgas impiega oltre 200 dipendenti e il suo fatturato

ha superato i 10 milioni di Euro nel 2011.

Air Liquide gestisce già un sito di condizionamento bombole

a San Pietroburgo e l’acquisizione del leader regionale

espande in modo significativo la sua presenza in questa

regione molto importante. Air Liquide investirà in una nuova

ASU (Air Separation Unit) all'avanguardia, con una capacità

produttiva di 200 tonnellate al giorno di ossigeno ed

azoto liquidi. L'investimento totale per questo impianto sarà

pari a circa 40 milioni euro.


What Where

Ensinger

Espansioni in Europa

e nel resto del mondo

Forte dell’aumento dei volumi di vendita, Ensinger ha avviato un

massiccio programma di investimenti dedicati all’estensione e al

potenziamento di alcuni impianti e al trasferimento in nuove sedi,

sia in Europa sia a livello globale.

In Germania, l’impianto di Nufringen (nei pressi di Stoccarda) è

stato oggetto di un corposo intervento destinato ad affiancare la

produzione di semilavorati e la logistica connessa ai fini di una

migliore efficienza complessiva. Il sito è stato attrezzato con circa

2.500 pallet e dotato di 1.300 mq aggiuntivi situati proprio a fianco

dell’area produttiva e destinati allo stoccaggio.

La nuova area produttiva ha inoltre fornito lo spazio necessario

per ulteriori 8 linee di estrusione e 12 camere bianche, certificate

secondo ISO Classe 8/GMP. In Scozia, nello scorso luglio 2012

Ensinger Ltd. – che attualmente conta 250 addetti e si qualifica

come la seconda sussidiaria europea in ordine di importanza – ha

acquistato Jet Engineering Ltd (Glasgow), operativa con un

impianto di circa 1.000 mq e un team costituito da 23 addetti

specializzati, nell’ambito dei programmi di espansione della divisione

Machined Parts. Inoltre, in Polonia, è stata ufficialmente

inaugurata la nuova sede di Ensinger Polska a Leszno: è stata

portata a termine la costruzione dell’edificio principale e del

magazzino per un totale di 2.800 mq e 800 mq di uffici.

Infine, in Svezia, Ensinger ha effettuato di recente degli investimenti

finalizzati al trasferimento della sede di Enkoping in un edificio

che triplica la superficie utile, passando da 360 a 1.200 mq,

in modo da rispondere alla crescita del mercato globale e migliorare

l’ambiente di lavoro. Gli investimenti del gruppo Ensinger in

questo periodo hanno riguardato anche il Brasile, dove nella sede

Ensinger di São Leopoldo sono state raddoppiate l’area produttiva

e quella logistica. Gli investimenti globali del gruppo hanno

riguardato anche altri importanti mercati, come quello cinese e

giapponese, nel comparto dei semilavorati.

Impianto di Nufringen


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WHO BUSINESS b u s i n e s s t r e n d s p e o p l e

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Alcuni strumenti di misurazione KIMO

Strumento multifunzione KIMO AMI 300

Registratori senza fili di umidità relativa e temperatura Alcuni prodotti della gamma di KIMO

12 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

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KI Srl è la nuova società che distribuisce in esclusiva

per il mercato italiano i prodotti della KIMO,

società francese attiva da più di vent’anni nel mercato

degli strumenti di misura. I prodotti distribuiti da

KI interessano principalmente due grandi settori merceologici: i comparti

dell’industria manifatturiera, alimentare, chimica, meccanica, elettronica

e plastica e il settore HVAC (riscaldamento, condizionamento e

ventilazione). Gli strumenti distribuiti da KI Srl misurano differenti parametri

quali temperatura, umidità, velocità dell’aria e possono rilevare un

solo parametro oppure essere multifunzione; altri settori di misura

riguardano l’analisi di combustione, la misura della pressione, la tenuta

deli impianti e la qualità dell’aria indoor.

I prodotti sono in grado di indicare, stampare registrare e trasmettere

tutti i parametri misurati e rispondono alle più avanzate esigenze di

studi tecnici e progettisti. Tra i numerosi prodotti commercializzati,

l’ampio catalogo comprende: strumenti di misura della temperatura,

dell’umidità, della velocità e della portata dell’aria e della pressione;

analizzatori di gas combustibili; luxmetri e solarimetri; data logger; cercafughe;

kit di tenuta impianti; tachimetri; strumenti per la fonometria e

per l’analisi della qualità dell’aria.

KI Srl offre una gamma di prodotti specializzati nei diversi settori di

applicazione e un valido team in grado di guidare i clienti nella scelta

degli strumenti più adeguati a ogni esigenza. Vengono inoltre tenuti

corsi di istruzione sia in sede sia presso i propri distributori e costruttori

ed è previsto un servizio di consulenza telefonica per i clienti.

Due laboratori eseguono collaudi, revisioni e riparazioni; KI si avvale

anche del servizio del partner Allemano Metrology, che vanta tre laboratori

accreditati (ACCREDIA). L’esperienza ventennale dello staff e la

qualità dei prodotti, con un ottimo rapporto qualità/prezzo, rappresentano

la giusta premessa per un rapido sviluppo dell’azienda in un mercato

in rapida evoluzione tecnologica che necessita

di prodotti semplici da utilizzare ed efficaci

servizi di supporto al cliente.


What Where

What Where

Novamont

Chimica verde per rilanciare lo sviluppo

La fiera Ecomondo è stata per Novamont l’occasione

per presentare al pubblico e agli stakeholders il suo

nuovo progetto strategico per la chimica verde, focalizzato

sulla riconversione di siti industriali dismessi in bioraffinerie

di terza generazione e sull’integrazione tra

agricoltura, chimica e industria nel segno di una fortissima

cooperazione con il mondo della ricerca e con il

Katia Bastioli, AD di Novamont territorio. Sul suolo sardo, Matrìca, la jointventure Novamont-Versalis,

è impegnata nella costruzione di una bioraffineria di terza generazione

tra le più innovative al mondo. Il progetto, che prevede un investimento complessivo di

oltre 500 milioni di euro, comprende la riconversione del petrolchimico di Porto Torres

mediante la costruzione di sette impianti entro il 2016 – tre fasi industriali di sviluppo

per la produzione di intermedi chimici quali monomeri, additivi per lubrificanti, elastomeri

e polimeri biodegradabili ottenuti da materie prime rinnovabili (oli vegetali e scarti

agricoli), derivate da aridocolture autoctone a basso input (senza acqua irrigua, fertilizzanti

e pesticidi) su terreni non utilizzabili per produrre alimenti. Inoltre, lo scorso gennaio

2012 Novamont, attraverso la controllata Materbiotech, ha rilevato l’impianto BioItalia

di Adria e, in partnership con la statunitense Genomatica, ha avviato la riconversione

del sito per produrre su scala industriale bio-butandiolo, un intermedio chimico

sinora ottenuto solo da fonti fossili.

La rivoluzione

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progetta pro e realizza impianti di micronizzazione e sistemi di conte-

nimento ed isolamento per l’industria

alimentare

e chimica chimic

e farmaceutica.













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Chemical Report

CHIMICA

&MERCATO

ATTUALITÀ - PERSONAGGI - TREND

Attualità

2° Forum italiano sulle biotecnologie industriali e sulla bioeconomia

2° FORUM ITALIANO SULLE BIOTECNOLOGIE

INDUSTRIALI E LA BIOECONOMIA

Biotecnologie industriali e bioeconomia

3a CONFERENZA NAZIONALE SU CHIMICA & ENERGIA

Chimica & Energia per una migliore efficienza energetica

18° RAPPORTO ANNUALE RESPONSIBLE CARE

Per un’industria sempre più etica

TECHNOLOGY & SCIENCE

Arriva chematica, il google per i chimici

Biotecnologie industriali e bioeconomia

Oltre 200 partecipanti, 30 presentazioni e 40 poster di aziende, Università e Centri di ricerche

nel campo dell’applicazione industriale delle biotecnologie e della bioeconomia.

Sono questi i numeri della seconda edizione di IFIB, il Forum italiano sulle

biotecnologie industriali e la bioeconomia, che si è tenuto a Milano il 23 e 24 ottobre

Alessandro Sidoli, presidente di Assobiotec

L’evento ha raccolto relatori di alto livello, che si sono confrontati

sulle politiche da implementare per far sì che l’Italia possa

favorire una crescita economica sostenibile rispondendo, grazie

alle biotecnologie industriali, a tutte le sfide che pone il nuovo

millennio: superamento della dipendenza dal petrolio e dalle altre

fonti energetiche fossili, aumento della popolazione mondiale e

cambiamenti climatici. Diversi gli argomenti trattati durante il

forum, che è stato articolato in sessioni dedicate alla Chimicafarmaceutica,

alla Biocatalisi, all’Ambiente, all’Agro-alimentare e

all’Energia. Il 24 ottobre si è tenuta una tavola rotonda con protagonisti

i grandi player italiani del settore - Catia Bastioli, amministratore

delegato di Novamont, e Guido Ghisolfi, presidente e

amministratore delegato di Chemtex Italia - che ha dato dimostrazione

del potenziale enorme del biotech per lo sviluppo economico

del paese ma anche delle realtà già operative. Ifib è stata

per Ghisolfi l’occasione per dare la notizia dell’avvio delle attività

della bioraffineria di Crescentino (VC), la più grande bioraffi-

Alessandro Spada, presidente di Innovhub Giovanna Speranza, Università di Milano

Organizzato da Assobiotec, l’Associazione per lo sviluppo delle biotecnologie che fa parte

di Federchimica insieme a Innovhub-Stazioni Sperimentali per l’Industria e Italian Biocatalysis

il forum è il primo evento italiano dedicato interamente alla bioeconomia.

neria per bioetanolo di seconda generazione al mondo. Presenti

alla tavola rotonda anche Manfred Kircher, presidente del Cda

del Cluster tedesco delle biotecnologie industriali (Clib2021),

che ha teso la mano tedesca alla bioeconomia italiana, Franco

Guarino, country manager Italia e Sud Europa di Veolia Environnement,

Lucia Gardossi, docente di Chimica organica all’Università

di Trieste, e Alessandro Sidoli, presidente di Assobiotec.

Secondo Sidoli, “la bioeconomia è un settore su cui anche l’Italia

deve puntare con forza, come stanno facendo gli altri Paesi

europei, la Russia, gli Stati Uniti, ma anche molti Paesi asiatici e

sudamericani, se davvero si vuole conciliare la crescita economica

del Paese e la creazione di nuovi posti di lavoro con la

sostenibilità ambientale.

Per raggiungere l’obiettivo serve però una strategia concreta per

lo sviluppo della bioeconomia, che ci auguriamo il Governo

voglia presto varare perché il paese possa partecipare da protagonista

a questa nuova rivoluzione industriale”.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 15


Chemical Report

CHIMICA & MERCATO

3 a Conferenza Nazionale su Chimica & Energia

Chimica & Energia

per una migliore efficienza energeti ca

Energia pulita da combustibili poveri e rifiuti

L’ITEA ha messo a punto il processo Isotherm PWR che produce

energia pulita da combustibili poveri come rifiuti industriali liquidi e

solidi, biomasse e fanghi. Il processo realizza una combustione in

pressione ad alta temperatura senza fiamma, con combustione

totale del combustibile, con emissioni prossime a zero, dato che

ceneri pesanti e leggere si separano fuse nel combustore e diventano

scorie vetrificate inerti e quindi le polveri sottili sono minimizzate,

con un recupero termico del 93% ed elettrico del 28% netto

e produzione di vapore a 40 bar a 400°C.

Le scorie vetrificate sono amorfe (impermeabili alla migrazione dei

metalli pesanti ) presentono zero carbonio residuo e sono completamente

inerti, mentre nei fumi e diossine e polveri sottili sono praticamente

non rilevabili. Un’unità dimostrativa da 5MWth è in marcia

da molti anni a Gioia del Colle mentre un impianto da 15MW è

stato costruito a Singapore, alimentato con rifiuti dell’area industriale

di Jurong. Isotherm PWR è l’esempio originale di intervento

“a monte, sul processo generatore” delle emissioni, piuttosto che

moltiplicare i trattamenti successivi di purificazione dei fumi, così

da predisporre complessivamente semplificazione e riduzione dei

costi e dare valenza industriale alle soluzioni che rispondano a

norme ambientali sempre più stringenti. I numerosi progetti di sviluppo

industriale presentati, in corso con industrie leader in svariati

settori applicativi, indicano l’interesse che l’approccio innovativo

Isotherm sta incontrando.

16 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Organizzata da Federchimica, si è tenuta il 17 ottobre scorso la terza conferenza

nazionale su Chimica e Energia: “Come ridurre i costi: come generare cassa

e migliorare l’efficienza energetica”. L’Ing. Astarita di Federchimica ha illustrato

la Strategia dell’Energia Nazionale (SEN). All’interno del convegno,

durante le quattro sessioni si è discusso di politiche energetiche ed ambientali

nell’UE; uso razionale del 20-20-20 nell’industria chimica; come gestire con

successo le componenti finanziarie e tecniche del mercato energetico; scelte

energetiche e decisioni di investimento per l’energia. In particolare nell’ultima

sessione sono stati riportati alcuni esempi di tecnologie utilizzabili per la gestione

futura sostenibile dell’energia. Gli interventi sono stati condotti da Alvise

Bassignano dell’Itea, da Paolo Savoldelli del RSE, da Sandro Cobror del gruppo

M&G e Roberto Fusco dell’Eni–Donegani. a cura di Ferruccio Trifirò

Itea è una società del Gruppo Sofinter

Impianto Isotherm PWR


Impianto di Crescentino (VC) Impianto di Paulinia (Brasile)

Bioetanolo di seconda generazione

CHEMTEX, società del gruppo MOSSI & GHISOLFI, azienda leader mondiale del PET, ha sviluppato la tecnologia PROESA per

la produzione di bioetanolo da sostanze lignocellulosiche. Questa tecnologia è in grado di produrre zuccheri a basso costo a partire

da biomasse non edibili (scarti e colture dedicate), che possono essere trasformate in derivati quali l’etanolo per fermentazione

o in altri prodotti chimici ottenibili da zuccheri C5 e C6. La biomassa scelta da Chemtex per l’Italia è la canna comune

(Arundo Donax), in grado di produrre fino a 40 tonnellate di materia secca per ettaro, e per ogni ettaro si può ottenere fino a circa

10 tonnellate di bioetanolo, ma è possibile utilizzare anche altre biomasse non edibili come il miscanthus, lo switch grass (panico)

e il sorgo. Il processo permette risparmi di emissione di CO 2 fino all’85%. In aprile 2011 Chemtex ha avviato i lavori per realizzare

a Crescentino (VC) un impianto da 40kta di bioetanolo lignocellulosico da Arundo Donax e paglia di frumento disponibile

localmente, e la produzione è prevista a partire dall’ultimo trimestre 2012 con l’obiettivo di dimostrare la tecnologia su scala industriale.

L’impianto produrrà anche energia “verde” grazie all’utilizzo della lignina in una caldaia da circa 15MW e l’etanolo prodotto

verrà venduto ad una compagnia petrolifera europea che lo miscelerà con la benzina. La Chemtex ha anche firmato quest’anno

un accordo per la realizzazione della prima bioraffineria da oltre 80 milioni di Lt in Brasile che utilizzerà bagassa, sottoprodotto

della produzione di zucchero da canna per produrre bioetanolo.

La ricerca del sistema elettrico ed il ruolo della chimica

RICERCA SISTEMI ENERGETICI (RSE) è attiva in molti settori dell’energia come sistemi fotovoltaici innovativi a concentrazione,

produzione da fonti rinnovabili (solare, eolico, biomasse), generazione elettrica distribuita e relative reti, impiego risorse distribuite,

co-generazione e tri-generazione, accumulo energetico ed in particolare elettrico (batterie e supercapacitori). Nel settore

delle energie rinnovabili l’obiettivo è l'ottimizzazione della gestione degli impianti e la loro integrazione nella rete elettrica, con

lo scopo di minimizzare l'impatto ambientale e di realizzare un loro corretto inserimento nel territorio. Tra le attività di forte interazione

fra chimica ed energia della RSE ci sono la messa a punto di materiali per la cattura e sequestrazione della CO 2, di materiali

per batterie innovative e per pile a combustibile e catalizzatori per processi di abbattimento di inquinanti e per la produzione

di idrogeno. RSE ha messo a punto batterie ai sali di vanadio

e batterie ad alta temperatura a base di NaS, ed ha realizzato

nuovi laboratori a Piacenza per lo sviluppo e per la caratterizzazione

di nuovi materiali, celle, moduli e sistemi fotovoltaici

a concentrazione. Questi laboratori ospitano un reattore

MOCVD di nuova generazione per la crescita epitassiale dei

materiali III-V e attrezzature per il processo di fabbricazione

dei dispositivi. Sono stati sviluppati rivestimenti con funzione

catalitica per impianti SCR per abbatimento di NOx integrabili

con caldaie di recupero, e sono state messe a punto membrane

ceramiche per la separazione di ossigeno e materiali

per il trasporto e lo stoccaggio di CO 2.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 17


Chemical Report

CHIMICA & MERCATO

Materiali per l’energia solare

Le attività di ricerca dell’ENI sull’energia solare realizzate presso

l’ISTITUTO DONEGANI DI NOVARA anche in collaborazione

con enti esterni, italiani e stranieri, sono le seguenti:

solare termodinamico a concentrazione, celle polimeriche,

celle ibride, scissione foto elettrochimica dell’acqua e concentratori

solari luminescenti. Attualmente i costi di generazione

elettrica da impianti fotovoltaici sono ancora elevati (0,2-

0,5 €/kWh) ed il superamento dei limiti attuali richiede l’introduzione

di tecnologie in grado di ridurre la quantità di silicio

impiegata a parità di energia prodotta e nel lungo termine la

sostituzione del silicio con materiali polimerici o organici, il cui

costo di produzione sia significativamente più basso, con prestazioni

confrontabili con quelle del silicio.

Istituto Donegani

Le celle solari polimeriche sono un'alternativa interessante per

il basso costo dei materiali e la semplicità del ciclo produttivo.

Eni sta mettendo a punto nuovi materiali per realizzare celle

solari (polimeri donatori di elettroni, fullereni, materiali per strati

interfacciali ed elettrodi) e sviluppando un impianto pilota

per la fabbricazione di celle solari polimeriche su supporto

flessibile. Per la messa a punto di materiali fotoattivi e concentratori

solari luminescenti sono stati individuati alcuni tipi di

coloranti capaci di funzionare da convertitori di spettro solare,

cioè di aumentare la quantità di energia solare utilizzabile da

un sistema fotovoltaico; con questi coloranti sono state realizzate

delle lastre fotoattive, attraverso o la deposizione di un

film sottile di materiale acrilico contenente i coloranti su lastre

di materiale polimerico (per esempio Plexiglas), oppure la dispersione

del colorante all’interno della lastra polimerica. Sono

state studiate anche le celle solari ibride o “Dye Sensitized

Concentratori solari luminescenti

Solar Cells” (DSSC’s), conosciute anche come celle Graetzel,

dal nome dello scopritore di questi dispositivi, che generano corrente attraverso l’assorbimento di luce da parte di un colorante,

in genere un complesso di un metallo di transizione (rutenio, rame, zinco o altri), adsorbito sulla superficie di un ossido inorganico

(per es. TiO2) che funge da foto anodo. La produzione di idrogeno per mezzo dell'energia solare (fotoproduzione) può costituire

un sistema di immagazzinamento dell'energia solare, per sua natura intermittente. Per raggiungere questo obiettivo sono

stati sintetizzati alcuni materiali, tra cui biossido di titanio e ossido di tungsteno in forma di nanotubi, per la conversione della

luce in energia chimica nel ciclo di scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno, e sono stati preparati i componenti (fotoanodo)

per la realizzazione di una cella foto-elettrochimica con cui è stata decomposta l'acqua per effetto dell'irraggiamento luminoso

producendo ossigeno e idrogeno allo stato gassoso.

Il Comitato Energia di Federchimica, a cui partecipano attivamente oltre 50

Imprese Associate, ha il compito di accreditare l'Industria chimica come interlocutore

di riferimento delle Istituzioni per le soluzioni che è in grado di proporre rispetto

alle esigenze di sostenibilità, nonché di favorire la transizione verso una completa liberalizzazione dei mercati dell’energia

e di supportare le istituzioni nello sviluppo delle normative nazionali ed europee. Il Comitato è diviso, attualmente*,

in 4 Gruppi di Lavoro: Mercato Elettrico; Gas Naturale; Efficienza Energetica; Politiche Ambientali ETS.

18 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


Chemical Report

CHIMICA & MERCATO

18° Rapporto annuale Responsible Care

Per un’industria chimica

sempre più etica

Cosimo Franco, Presidente

Comm. Dir. Responsible Care

Il Rapporto Annuale di Federchimica ha presentato i risultati realizzati

dall’Industria Chimica e dalle Imprese aderenti a Responsible

Care. C’è stato un ulteriore miglioramento delle condizioni

di Sicurezza e di Salute sui luoghi di lavoro, nonché una riduzione

dell’impatto ambientale. Come sottolinea nel Rapporto Cesare

Puccioni, presidente di Federchimica: “L’Industria Chimica è

un insostituibile motore di innovazione per lo Sviluppo Sostenibile.

Fornisce un contributo essenziale agli alimenti lungo tutta la

filiera produttiva, alla potabilizzazione delle acque, alla razionalizzazione

delle risorse, alle tecnologie ambientali, allo sviluppo

di nuove fonti rinnovabili, alla mobilità e all’edilizia sostenibile”.

Inoltre, anche grazie al forte coinvolgimento delle Organizzazioni

Sindacali nelle attività del Programma Responsible Care, è stato

possibile conseguire risultati eccellenti che garantiscono la Sicurezza

e Salute dei Dipendenti; l’Industria Chimica risulta così

all’avanguardia anche nella dimensione sociale della sostenibilità”.

Soddisfatto per i risultati ottenuti anche Cosimo Franco, Presidente

della Commissione Direttiva Responsible Care: “Anche

quest’anno i dati confermano i risultati di eccellenza del nostro

settore; il primato che l’Industria Chimica detiene in termini di

minor incidenza degli Infortuni e delle Malattie Professionali ci

rende orgogliosi, in quanto testimoniano l’attenzione a garantire

luoghi di lavoro sicuri e salubri. Inoltre, l’Industria Chimica ha

ridotto le proprie emissioni di Gas Serra del 63%, rispetto al

1990, molto di più di quanto previsto dagli obiettivi del Protocollo

di Kyoto e in linea con gli obiettivi “20-20-20” dell’Unione

Europea al 2020”. Dal Rapporto emergono dati incoraggianti in

diversi settori che interessano l’Industria: tra quelli presi in considerazione

risultano di particolare rilevanza quelli dedicati alla

sicurezza, alla formazione e alla protezione dell’ambiente.

20 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Responsible Care è il Programma volontario dell’Industria Chimica

mondiale, con il quale le imprese si impegnano a migliorare

continuamente prodotti, processi e comportamenti nelle aree

di sicurezza, salute e ambiente, in modo da contribuire in maniera

significativa allo sviluppo sostenibile dell’industria, delle comunità

locali e della società. L’adesione ai principi di Responsible Care

comporta l’assunzione di comportamenti etici, morali

ed economici responsabili da parte

di tutta l’organizzazione dell’impresa.

Sicurezza e salute dei dipendenti - L’Industria Chimica si

configura come uno dei settori con i luoghi di lavoro più sicuri.

Per quanto riguarda la media dell’Indice di Frequenza degli Infortuni

(IF), relativa agli anni 2009 - 2010 - 2011, solo l’Industria del

Petrolio, con 7,2, fa registrare una performance migliore dell’Industria

Chimica (11,6). Il Valore Mediano dell’IF per i settori industriali

registra un valore ben più elevato (24,9). Le Imprese aderenti

a Responsible Care dimostrano di rappresentare l’eccellenza

dell’Industria Chimica, grazie ad un Indice di Frequenza pari a

9,4. Oltre alla continua diminuzione del numero di Infortuni per

Milione di Ore Lavorate, che emerge sia nella serie relativa agli

anni 2009-2011, sia nel confronto col 1989, si rileva che l’incidenza

degli Infortuni provocati da agenti chimici risulta molto

limitata rispetto alle altre cause, mentre circa il 40% degli Infortuni

è legato al fattore umano, inteso come carenze comportamentali

e organizzative. L’Indice di Frequenza degli infortuni all’interno

dei luoghi di lavoro delle Imprese aderenti a Responsible Care,

nel 2011, è pari a 5,8.

La formazione - L’Industria Chimica è un settore leader nella

formazione dei Dipendenti: infatti se in media il 33,2% delle

Imprese Industriali dichiara di aver effettuato nel 2010 Corsi di

Formazione, sono il 49,7% le Imprese Chimiche che li hanno

svolti nello stesso periodo. Solo il Settore delle “Pubblic Utilities”

(Servizi di Pubblica Utilità) ha registrato un valore migliore.

Le Imprese Chimiche, e in particolare quelle aderenti a Responsible

Care, dimostrano una forte attenzione nell’istruire al massimo

livello i propri Dipendenti sulle tematiche di Sicurezza, Salute

e Ambiente. L’efficacia della formazione la si può constatare,

per esempio, dalla riduzione continua del fenomeno infortunistico

rappresentato dall’Indice di Frequenza degli Infortuni.


“Realizza ciò che puoi misurare:

per la Sicurezza e la Salute sui luoghi di

lavoro e per la protezione dell’ambiente”

La protezione dell’ambiente - L’Industria Chimica e le

Imprese aderenti a Responsible Care hanno ottenuto importanti

risultati in termini di riduzione degli impatti ambientali, attraverso

una sempre più forte ottimizzazione dei processi ed un

sempre maggiore ricorso alle migliori tecnologie disponibili.

Sebbene ulteriori miglioramenti siano sempre più difficili da raggiungere,

l’Industria Chimica raccoglie la sfida continuando ad

investire sempre più in processi e prodotti che riducano l’impatto

ambientale attraverso lo studio e l’utilizzo di metodologie

come la “Life Cycle Analysis”. L’Industria Chimica nel 2010 ha

registrato una riduzione dei consumi di energia del 33,1%

rispetto al 1990. Nonostante il ruolo giocato dalla crisi economica

degli ultimi anni nella riduzione dei consumi, in generale il

trend di miglioramento è comunque evidente, come dimostra

l’Indice ODEX1 di Efficienza Energetica: rispetto al 1990 l’Industria

Chimica ha migliorato la propria efficienza energetica del

45,0%; un risultato rilevante considerato che l’Unione Europea,

con la sua famosa politica “20-20-20” ha stabilito come obiettivo

l’incremento del 20% dell’efficienza energetica a livello

comunitario entro il 2020. Anche le Imprese aderenti a Responsible

Care hanno ridotto l’energia utilizzata in maniera consistente

rispetto al 1995, mentre i consumi appaiono sostanzialmente

stabili negli ultimi tre anni e si attestano a 3.617 ktep nel

2011. Invece i consumi di acqua delle Imprese aderenti a Re -

sponsible Care nel 2011 sono stati pari a 1.612 Milioni di m 3, in

diminuzione rispetto all’anno precedente (1.793).

Questo risultato è principalmente dovuto alla minore attività

produttiva. Le Imprese aderenti a Responsible Care sono attente

anche alla qualità dei corpi idrici in cui immettono le proprie

acque di scarico e sono impegnate nel minimizzare la quantità

di sostanze inquinanti in esse contenute attraverso nuove tecnologie

per il loro abbattimento, che congiuntamente con altre

iniziative hanno permesso di migliorare gli impatti sulla biodiversità

dei corsi d’acqua dolce e del mare.

Logistica e sicurezza - Anche nell’ambito della logistica è

possibile impiegare tecnologie e procedure volte a ridurre gli

impatti ambientali e sociali delle attività industriali, senza penalizzare

la qualità del servizio e la redditività economica.

Le Imprese aderenti a Responsible Care forniscono ogni anno

anche dati ed esperienze relative alla Logistica Sostenibile e,

con l’adesione al Servizio Emergenze Trasporti, confermano il

proprio impegno sulla Sicurezza anche nella logistica. Le Imprese

aderenti a Responsible Care nel 2011 hanno movimentato

26,0 Mt di sostanze di preparati e di prodotti chimici. In generale,

la Logistica in Italia è sbilanciata verso la strada, anche se

rientra nella media dell’Unione Europea. L’Industria Chimica,

invece, ripartisce meglio il trasporto di merci tra le varie modalità:

aria, ferro, gomma, acqua. Le Imprese aderenti a Responsible

Care, nel 2011, hanno utilizzato la strada per il 52,2%,

mentre il totale del Paese trasporta i prodotti per il 59,2% su

strada. Tale risultato, possibile anche grazie al peculiare utilizzo

da parte delle Imprese Chimiche delle pipeline per servire i propri

Clienti di grandi dimensione, contribuisce a ridurre le emissioni

di CO 2 durante la fase di trasporto, oltre a rappresentare

un fattore di sicurezza. Negli ultimi anni, infatti, è complessivamente

rimasta costante l’incidentalità su strada espressa come

numero di incidenti per Mtkm. Per quanto riguarda invece l’incidentalità

nel trasporto ferroviario, è rimasta sostanzialmente

invariata nel triennio attestandosi nel 2010 a 0,006 incidenti per

Mtkm. Ciò che va sottolineato è l’ordine di grandezza notevolmente

inferiore dell’incidentalità dei trasporti ferroviari rispetto a

quelli su strada (0,006 contro 1,57 incidenti ogni Mtkm).

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 21


Chemical Report

CHIMICA & MERCATO

Technology & Science

Si chiama Chematica e si

presenta come un vero e

proprio Google degli elementi

chimici: il motore di

ricerca al servizio della

chimica che riunisce ben

250 anni di conoscenze in

questo campo. Descritto all’interno della rivista “Angewandte

Chemie”, Chematica è stato messo a punto presso l'americana

Northwestern Scientists ed è una rete gigantesca che

promette di rendere più facile e veloce la ricerca di molecole

utili, accelerando notevolmente la ricerca.

Chematica infatti non è semplicemente un database, ma uno

strumento analogo di internet: una rete interconnessa di nodi

in cui navigare, facendo ricerche. I nodi sono i 7 milioni di

composti contenuti all'interno del software, collegati tra loro

da reazioni chimiche. Metterli insieme è stato uno sforzo

enorme, che ha richiesto dieci anni di lavoro ai ricercatori,

metà dei quali impegnati solo per compilare il database.

Gli scienziati, inoltre, hanno anche fatto in modo che il software

lavorasse tenendo conto di oltre 86mila parametri,

22 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Arriva Chematica,

il google per i chimici

Si dice spesso che le tecnologie informatiche migliorano

la vita di tutti i giorni. Da oggi però, grazie a uno studio

di Nortwestern Scientists, aiutano anche la comunità

scientifica, accelerando la ricerca chimica

come la presenza o meno di acqua, la compatibilità tra solventi

all'interno delle reazioni. Per i ricercatori è già un "chimico

immortale" che non potrà che accumulare sempre

nuove conoscenze, imparando dall'esperienza. Il software

potrà infatti evitare reazioni e composti a rischio.

Per il coordinatore del progetto, Bartosz A. Grzybowski, si

tratta anche di «una piattaforma di conoscenza completamente

nuova, nella quale ogni reazione chimica e ogni composto

mai ottenuto danno vita a un unico 'cervello chimico'».

Esplorare questo strumento senza precedenti, aggiunge, è

possibile utilizzando algoritmi simili a quelli utilizzati da Google.

"In una frazione di secondo - osserva ancora Grzybowski

- è possibile accedere a miliardi di sintesi chimiche nelle

quali è coinvolta la molecola che si intende studiare".

E' possibile quindi passare in rassegna ogni possibile sintesi

chimica esistente. I metodi con cui utilizzare questo Internet

della chimica sono diversi: il principale è quello di considerarlo

come una guida, in grado di suggerire percorsi di solito

non battuti dagli scienziati, e magari di arrivare alla meta (il

composto che si vuole produrre) attraverso vie più veloci ed

economiche di quelle abituali.


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SI CONSULTANO LE IMPRESE


LUCA PELLIZZER

Il nuovo presidente UCC, classe 1971, ricopre attualmente

la carica di General Manager di Co.Ge.Costruzioni

Generali, società di progettazione e costruzione di impianti

chimici e petrolchimici, e Managing Director di SiSi, società

operante nel settore dei servizi per l’industria in ambito

associativo Pellizer ha ricoperto la carica di vice presidente

UCC fino maggio 2011.

24 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

LE NORMATIVE

La Commissione Europea

ha richiesto l’allineamento

di 9 direttive comunitarie

al Nuovo quadro legislativo

(NLF - New Legislative

Framework). Tra queste,

in prima battuta, non è

stata inserita la Direttiva

PED (Direttiva Apparecchi

a Pressione), entrata in

vigore 10 anni fa.

La CE ha ritenuto

necessario effettuare

un’indagine in 13 paesi,

tra cui Italia, Germania,

UK, Austria, Francia,

Olanda e Polonia, per

valutare l’opportunità

di dare inizio a una vera

e propria revisione della

Direttiva. Per capire

meglio che cosa

comporterebbe una

revisione, abbiamo

parlato con il neoeletto

presidente UCC,

Luca Pellizzer


UCC – Associazione Costruttori Caldareria, che aderisce ad ANIMA dal 1950, raggruppa i

Costruttori e le Società italiane che operano nel vasto settore dei pressure equipment, dalla

progettazione alla produzione. Grandi serbatoi montati in cantiere, apparecchi a pressione,

apparecchi semplici a pressione, caldaie a tubi d’acqua e di fumo, tubazioni e condotte

forzate, scambiatori di calore sono alcune delle produzioni tipiche del comparto

rappresentato da UCC. Il settore occupa circa 25.100 addetti

per un fatturato di oltre 3.400 milioni di euro e una quota export/produzione del 48%.

Presidente Pellizzer, può spiegarci cosa è la PED?

“La Direttiva Apparecchi a Pressione, comunemente detta PED dalla

denominazione inglese Pressure Equipment Directive, è una direttiva

di prodotto (97/23/CE) emanata dalla Comunità Europea, e recepita

in Italia con il Decreto Legislativo n° 93/2000.

Essa disciplina la progettazione e la costruzione di apparecchi in

pressione. La direttiva riguarda prodotti, recipienti a pressione,

scambiatori di calore, generatori di vapore, caldaie, tubazioni industriali,

dispositivi di sicurezza e accessori a pressione.

Rientrano nel campo di applicabilità della direttiva tubazioni, accessori

e recipienti soggetti ad una pressione relativa maggiore di 0,5

bar. Scopo della Direttiva 97/23/CE è quello di armonizzare le legislazioni

nazionali degli Stati membri relative alla valutazione del progetto,

della produzione, del collaudo e della conformità delle attrezzature

a pressione e degli insiemi”.

Quali sono i punti più importanti di questa normativa

per il settore industriale rappresentato da UCC?

“Il punto maggiormente importante della PED è la regolamentazione

del rischio legato alla pressione. Il fulcro della Direttiva è l’Allegato 1,

dove vengono indicati i requisiti essenziali di sicurezza obbligatori ai

quali devono attenersi i fabbricanti di attrezzature in pressione. Alcuni

dei principi che accomunano tutte le direttive Nuovo Approccio,

sono importanti per i costruttori, come per gli utilizzatori:

• l’armonizzazione si limita ai requisiti essenziali;

• beneficio della libera circolazione dei prodotti ricadenti sotto tale

direttiva;

• l’applicazione delle norme armonizzate rimane facoltativa ed i fabbricanti

sono liberi di scegliere altre soluzioni tecniche che garantiscano

la conformità ai requisiti essenziali;

• i fabbricanti possono scegliere tra le varie procedure di valutazione

di conformità previste dalla Direttiva stessa”.

L’allineamento al Nuovo

quadro legislativo che novità apporterà?

“Nel luglio 2008 il Parlamento Europeo e il Consiglio dell’Unione

Europea hanno adottato il Nuovo Quadro legislativo (New Legislative

Framework – NLF), una serie di provvedimenti per migliorare il funzionamento

del mercato interno delle merci.

È composto da due strumenti complementari: il Regolamento

765/2008/EC sull’accreditamento e sulla sorveglianza del mercato e

la Decisione 768/2008/EC che stabilisce un quadro comune per la

commercializzazione dei prodotti. Entrambi gli strumenti hanno l’obiettivo

di affrontare una serie di problematiche che sono state in

genere osservate in vari settori dell’industria regolamentata dalla

‘legislazione sull’armonizzazione delle norme tecniche nell’Unione

Europea’, ossia la legislazione che fissa dei requisiti comuni per la

commercializzazione dei prodotti.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 25


esclusiva

INTERVISTA

PRESSURE EQUIPMENT - NUOVO FRAMEWORK LEGISLATIVO

La principale preoccupazione era come garantire la sicurezza dei cittadini

e ridurre il numero di prodotti che non soddisfano i requisiti indicati

dalla legislazione UE. Inoltre, il NLF dovrebbe dare maggiore coerenza

all’intero quadro normativo per i prodotti e semplificarne l’applicazione.

La Commissione è impegnata nel portare l’attuale legislazione dei

settori interessati da questi problemi fino alle nuove norme fissate dalla

Decisione 768/2008. A tal fine, ha previsto di allineare 9 direttive alla

Decisione. Tra queste non risulta la PED poiché la Commissione ha

valutato di svolgere ulteriori analisi e una valutazione separata. Le aziende

della Caldareria dovranno aspettarsi la decisione della Commissione

Europea che valuterà l’opportunità di dare inizio a una revisione della

PED per allinearla al NLF”.

Quali sono i motivi che hanno portato a questa decisione?

“La Commissione Europea dovrà valutare l’impatto della Direttiva PED

sul regolamento 1272/2008/CE CLP che introduce un nuovo sistema

per la classificazione e l’etichettatura delle sostanze chimiche, basato

sul Sistema mondiale armonizzato delle Nazioni Unite. La modifica e l’abrogazione

della 67/548/CE - riguardante le sostanze pericolose - avrà

un impatto diretto sulla direttiva PED, dal momento che la classificazione

dei fluidi (art 9 della PED) fa espressamente riferimento alla Direttiva

67/548/CE. La nostra associazione europea di riferimento Orgalime ha

esortato la Commissione, affinché portasse avanti la valutazione d'impatto

per l'allineamento della PED con il regolamento CLP per permettere

ai produttori di attrezzature a pressione di classificare correttamente

i loro prodotti e restare competitivi sul mercato. La Commissione

Europea inoltre ha assegnato un contratto di servizio ad un fornitore

esterno, la "Centre for Strategy & Evaluation", al fine di effettuare un’indagine

sulla “Valutazione della Direttiva sulle attrezzature a pressione –

PED”. Lo studio mira a valutare l’eventuale revisione della PED e fornire

uno studio di mercato dei settori che rientrano nel suo ambito. Lo

26 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

scopo è quello di valutare l'obiettivo della PED per garantire la libera circolazione

delle attrezzature a pressione all'interno dell'Unione europea,

garantendo nel contempo un alto grado di sicurezza”.

Quali sono gli interventi che UCC sta mettendo in campo

per sostenere le aziende interessate da questa revisione?

“UCC supporta le aziende associate attraverso la presenza costante nei

tavoli tecnici dove vengono discusse tali problematiche (sia a livello italiano

che a livello europeo). Provvede inoltre a tenere informati i propri

associati sull’avanzamento dei lavori e sulle novità che interessano l’allineamento

della Direttiva PED al NLF. Attraverso l’invio dei questionari

circolati dalla Commissione Europea, UCC porta le esperienze e le problematiche

delle aziende socie all’attenzione della Commissione Europea.

Come costruttori di caldareria, ci aspettiamo che le future azioni del

legislatore vadano nella direzione di sostenere la competitività delle

imprese; al di là dei risultati ufficiali dello studio ritengo che la futura revisione

della direttiva debba tenere in considerazione aspetti come il rafforzamento

della sorveglianza del mercato, l’eliminazione delle differenze

esistenti tra stato e stato sulle procedure di valutazione della conformità

di uno stesso prodotto, disincentivare la continua spinta alla delocalizzazione

dei processi produttivi verso paesi a basso costo”.

Quali interventi ha previsto UCC per sostenere

le aziende interessate alla revisione?

“UCC raggruppa i costruttori e le società italiane, che operano nel vasto

settore dei pressure equipment, dalla progettazione alla produzione. Le

aziende associate producono grandi serbatoi montati in cantiere, apparecchi

a pressione, caldaie a tubi d’acqua, caldaie a tubi di fumo, condotte

forzate, scambiatori di calore. Molte di esse si occupano anche

del calcolo e della progettazione di prodotto. UCC è il collettore delle

esigenze del settore della caldareria. Ha il compito di rispondervi e di

supportare i propri associati con servizi e iniziative. Quattro tappe rispecchiano

al meglio il piano da mettersi in atto per rendere UCC vicina

alle esigenze della caldareria:

• consolidare e sviluppare l'infrastruttura di supporto agli associati;

• investire in attività di formazione per garantire uno sviluppo innovativo

nelle imprese;

• favorire, nella politica di investimento e di credito agevolato, i progetti

realizzati da cordate di industriali, da team misti industria, ricerca,

università...;

• investire in attività di comunicazione atta a presentare al mercato gli

associati con le relative qualifiche.

Valorizzare il settore, è uno degli obiettivi che perseguirà l’associazione,

di modo tale da lavorare sullo sviluppo di nuove attività ad alta intensità

di conoscenza di valore aggiuntivo e di occupazione. Il futuro della

Caldareria italiana, ovvero la ‘nuova’ fase di sviluppo neo-industriale, si

basa sull'interazione sinergica tra industria e servizi”.


PRIMO PIANO

ANNIVERSARIO SOLVAY - 100 ANNI IN ITALIA

Solvay:

passione per il progresso

Quest’anno ricorrono i 100 anni di attività

dell’azienda in Italia, ed il prossimo anno

si festeggeranno i 150 anni della fondazione

della società a Bruxelles da parte di Ernest

Solvay. per celebrare questi importanti

traguardi è stata allestita una mostra-evento

alla Triennale di Milano dal titolo

“La nostra energia è il futuro”


Solvay nacque dopo l’ottenimento del brevetto, il 15 aprile 1861, per la produzione di carbonato

sodico da NaCl e CaCO3 e la realizzazione del nuovo processo che sostituì il problematico vecchio

processo Leblanc, che aveva provocato l’uscita della prima legge contro l’inquinamento in

Inghilterra. L’azienda si sviluppò subito con la creazione di impianti di carbonato sodico in tutta

Europa, e si stabilì in Italia nel 1912 per iniziare la costruzione dell’impianto di produzione di

carbonato sodico, andato poi in marcia nel 1914, vicino a Rosignano Marittimo (LI).

Lo stabilimento di Rosignano fu localizzato in quella zona perché c’era vicino la disponibilità

delle due materie prime per il processo (in particolare le miniere di sale a Ponteginori

e quelle di carbonato di calcio a Rosignano Marittimo e a San Carlo, l’acqua di mare

per le operazioni di raffreddamento), e per la posizione geografica che consentiva un facile

trasporto ferroviario, stradale e marittimo. Lo stabilimento avrebbe dovuto essere realizzato

in una zona vicina a Cecina, ma gli agricoltori locali si erano opposti alla nascita

di uno stabilimento chimico e per questo fu scelta una zona, allora paludosa e poco abitata,

vicina a Rosignano Marittimo. Questa zona paludosa nel 1923 si trasformò, con

l’aiuto della Solvay, in una città giardino, e prese il nome di Rosignano Solvay per differenziarla

dal preesistente paese localizzato in collina.

Stabilimento di Ospiate Stabilimento di Spinetta Marengo

Stabilimento di Bollate

Stabilimento di Livorno

Stabilimento di Porto Marghera Stabilimento di Massa

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 29


PRIMO PIANO

ANNIVERSARIO SOLVAY - 100 ANNI IN ITALIA

Lo stabilimento fu visitato più volte da Ernest Solvay prima della sua morte nel 1922, e sembra che ne fosse particolarmente legato

e orgoglioso. La Solvay è praticamente la più vecchia azienda chimica presente in Italia (tutte le altre sono scomparse o hanno cambiato

nome), ed è una delle più grosse aziende straniere presenti nel nostro Paese. Ha il suo “quartier generale” a Bruxelles, con più

di 400 fra sedi e stabilimenti sparsi in 55 paesi diversi, con 29.000 dipendenti ed un fatturato di 12,7 milioni di euro nel 2011, ed è

attiva nel settore chimico, farmaceutico e delle plastiche ed in particolare nella produzione di reagenti per le vetrerie, per il settore

metallurgico, in agenti per la depurazione delle acque, per la detergenza, e in nuovi prodotti per energie alternative.

Infine è uno dei primi tre leader mondiali nel settore chimico. In Italia la Solvay ha un fatturato di 1.047 milioni di euro con 2300 dipendenti

operanti in 11 stabilimenti diversi nelle seguenti località: Bussi (PE), Rosignano Solvay (LI), Bollate (MI), Ferrara, Massa, Spinetta

Marengo (AL), Porto Marghera (VE), Roccabianca (PR) e Tavazzano (LO), Livorno e Ospiate (MI). A Bollate è attivo un centro di ricerca

con 220 ricercatori che è uno dei più importanti centri di eccellenza del nostro Paese. Nello storico stabilimento di Rosignano, il

più grosso dell’azienda in Italia, vengono prodotti oltre il carbonato sodico, il bicarbonato sodico per l’industria farmaceutica, clorometani,

polietilene, cloro, acido cloridrico, soda e acqua ossigenata. Nello stabilimento sono state realizzate recentemente delle

innovazioni per diminuire l’impatto ambientale e per realizzare risparmi energetici. E’ stato modernizzato l’impianto di elettrolisi del

NaCl, trasformando l’impianto da celle a mercurio in celle a membrana. Il nuovo processo, oltre al minore impatto ambientale, presenta

un risparmio di energia elettrica e di

acqua. Inoltre è stato rimesso in servizio

un vecchio turboalternatore per sfruttare il

salto energetico al fine di produrre energia

elettrica, ed é stato modificato l’impianto

di produzione di acqua ossigenata per

contribuire ad un risparmio di energia. Il

motto della Solvay è “Passione per il progresso”

e questo discende dalle famose

Stabilimento di Roccabianca Stabilimento di Tavazzano

riunioni tenute nel 1911 nella sede dell’azienda

a Bruxelles, con diversi premi

Nobel; riunioni che sono ancora prese

come esempio del forte legame storico fra

industria chimica e ricerca. La strategia

prioritaria della società verso il futuro è lo

Sviluppo Sostenibile: un concetto che

trova concretezza nella tradizione culturale

e scientifica che ha sempre contraddi-

Stabilimento di Ferrara Stabilimento di Bussi

stinto la crescita di Solvay fra i leader della

chimica mondiale. Di fondamentale importanza ha sempre avuto la mentalità scientifica del fondatore Ernest Solvay, che nel 1911

promosse il Primo Consiglio Internazionale di Fisica con i più grandi scienziati dell’epoca a livello mondiale. È così nata la tradizione

dei convegni culturali, dove mondo accademico e industriale hanno iniziato un concreto confronto collaborativo. Ma puntare allo sviluppo

sostenibile in concreto cosa significa?

Vuol dire assumersi la responsabilità di tenere in considerazione i tre assi portanti della sostenibilità: quello economico, l’ambientale

e il sociale. Parallelamente c’è un forte impegno per riuscire ad essere concreti ed efficaci nel processo di sviluppo delle tecnologie.

L’innovazione e un approccio sostenibile sono asset indispensabili per la competitività a livello internazionale, e hanno portato al raggiungimento

di importantissimi traguardi: centinaia di brevetti depositati, adeguamenti tecnologici per la diminuzione del consumo di

materie prime utilizzate e la riduzione delle emissioni nell’ambiente delle attività produttive. La filosofia aziendale è dunque incentrata

a crescere puntando sul binomio tecnologia-ambiente. Alcuni esempi significativi: i laboratori di ricerca italiani collaborano attivamente

con gruppi di sperimentazione avanzatissima nella ricerca di energie alternative pulite e su progetti per lo sviluppo di nuove

fonti di energie rinnovabili. I prodotti Solvay sono utilizzati nella realizzazione di celle fotovoltaiche per la conversione delle radiazioni

solari in energia elettrica e come componenti per motori ad idrogeno di ultima generazione, che trasformano l’acqua in energia rilasciando

nell’atmosfera solo vapore. Di seguito alcune tecnologie sviluppate da Solvay che puntano al miglioramento dell’ambiente.

30 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


Energie alternative: Solar Impulse - Si tratta di un nuovo aereo spinto ad energia solare che cercherà di compiere, nel 2012, un

volo a tappe intorno al mondo. Il team, che è coordinato dallo svizzero Bertrand Piccard, ha realizzato un prototipo, che ha già compiuto

diversi importanti test in volo, sia di giorno che di notte. Ora è in preparazione un secondo aereo per il prossimo volo intorno alla

Terra. È un concetto rivoluzionario che ha l’obiettivo di promuovere un’immagine positiva dello sviluppo sostenibile e delle energie rinnovabili,

grazie a un’avventura eccitante, all’innovazione tecnologica e all’eccellenza imprenditoriale.

Solvay è coinvolta come main partner del progetto fornendo un supporto tecnologico grazie allo sviluppo di polimeri speciali e derivati

del fluoro, e della simulazione del loro comportamento in condizioni estreme. I polimeri speciali di Solvay Solexis sono essenziali nel

migliorare la gestione energetica del velivolo solare: permettono di risparmiare energia e di aumentare la densità energetica delle batterie

a ioni di litio, proteggono le celle fotovoltaiche extrasottili grazie ad una pellicola ultraresistente. Sono impiegati come lubrificanti

in varie componenti quali cuscinetti a sfera, viti e bulloni, rondelle, assi, cerniere, distanziatori e altri pezzi meccanici.

Il processo Vinyloop ® : una risposta avanzata per il riciclo del PVC - Vinyloop® Ferrara è il primo impianto al mondo per la

rigenerazione del PVC contenuto in prodotti a fine vita. Questa tecnologia permette di separare il compound di PVC da altri materiali

come per esempio cavi elettrici, fibre di poliestere, fibre tessili, metalli, gomma e molti altri. Il processo di riciclo è basato sul principio

della selettività che dissolve il PVC utilizzando un solvente che gira costantemente in un circuito chiuso. I numerosi controlli, durante

tutte le fasi della produzione, consentono di garantire informazioni sulla tracciabilità e la qualità del PVC rigenerato.

Se il compound di PVC non venisse riciclato con questo metodo, se ne sprecherebbe il 70%. Una tonnellata di PVC riciclato tramite il

processo Vinyloop ® permette le stesse applicazioni di una tonnellata di PVC vergine.

Il progetto Leonardo, un passo avanti per la salute del territorio - Il Progetto Leonardo, realizzato recentemente presso lo stabilimento

Solvay Chimica Italia di Rosignano è di importanza fondamentale per la responsabilità ambientale.

È stata fermata definitivamente la vecchia produzione di elettrolisi a mercurio per realizzare soda caustica e cloro, sostituendola con la

nuova innovativa tecnologia a membrana. Tra i benefici si possono annoverare il risparmio di energia elettrica pari al 18% e di 400.000

metri cubi di acqua dolce all’anno e la riduzione generale delle emissioni. Inoltre il polo chimico di Rosignano Solvay ha siglato un Accordo

di Programma con le Istituzioni nazionali e locali al fine di garantire un progresso continuo nell’ambito dell’utilizzo delle materie prime,

della valorizzazione delle risorse naturali e della diminuzione dei solidi sospesi presenti negli scarichi idrici. Nel contesto dell’Accordo è

stato in particolare realizzato un impianto di post depurazione delle acque reflue dei depuratori comunali di Rosignano e Cecina, che tratta

circa 4 milioni di metri cubi all’anno ad uso industriale e consente il risparmio di un analogo quantitativo di acqua di falda.

SolvAir ® , la soluzione alla neutralizzazione dei fumi - La tecnologia SolvAir ® , brevettata da Solvay, consente la depurazione efficace

dei fumi degli inceneritori di rifiuti solidi urbani e di impianti industriali in genere dai gas acidi in essi contenuti.

Permette anche il recupero della quasi totalità dei prodotti di risulta, come i sali sodici, che si ottengono da tali processi di neutralizzazione,

contribuendo alla tutela dell’ambiente e alla riduzione dei rifiuti industriali. Il processo SolvAir ® si basa sull’iniezione di bicarbonato di

sodio opportunamente macinato nei fumi da depurare. L’azione combinata del bicarbonato di sodio con il carbone attivo agisce inoltre sui

metalli pesanti, permettendo di rispettare le normative più severe sulle emissioni in atmosfera. Il recupero dei sali sodici avviene invece in

una piattaforma dedicata, dove le polveri di neutralizzazione dei fumi sono valorizzate per la produzione di una salamoia satura, utilizzata

nei cicli industriali dell’impianto di Rosignano. Ciò permette contemporaneamente il risparmio di una materia naturale, la salamoia vergine,

e la riduzione del ricorso alla discarica per lo smaltimento dei residui sodici di neutralizzazione.

L’aereo a energia solare Solar Impulse Stabilimento Vinyloop ® Ferrara

per la rigenerazione del PVC

Impianto Solvay di Rosignano,

che utilizza la tecnologia SolvAir ®

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 31


“LA NOSTRA ENERGIA È IL FUTURO”

Solvay Italia celebra con una mostra-evento alla Triennale di Milano

i 100 anni di attività industriale nel nostro paese

I 100 anni di Solvay alla Triennale di Milano - Solvay celebra i

100 anni di presenza in Italia con “La nostra energia è il futuro”,

una mostra-evento allestita alla Triennale di Milano. All’interno

del celebre palazzo espositivo un’installazione dedicata a Solvay

rievoca al visitatore la sensazione di immergersi in un laboratorio

di ricerca e sviluppo: attraverso un’esperienza artistica

totalizzante, l’individuo è portato simbolicamente nel cuore della

chimica per sottolineare quanto essa sia fondamentale per la

vita quotidiana. Per inaugurare la mostra, il 30 ottobre, si è tenuta

una speciale cerimonia di apertura con la premiazione dei tre

speciali testimonial scelti da Solvay Italia come esempio dell’approccio

positivo dell’individuo nei confronti della vita. Sono

stati premiati: Annalisa Minetti, vincitrice della medaglia di bronzo

nei 1500 alle paralimpiadi di Londra e detentrice del record

del mondo; Don Claudio Burgio, fondatore della comunità di

recupero per minori in difficoltà Kayrós e cappellano del carcere

minorile Beccaria di Milano; e Silvio Griselli, dipendente Solvay

la cui famiglia è in azienda da quattro generazioni, che è

stato premiato in rappresentanza di tutti i dipendenti dell’azienda.

A consegnare il riconoscimento Augusto Di Donfrancesco,

General Manager di Solvay Specialty Polymers e Marco Colatarci,

nuovo Direttore Generale di Solvay Italia. Ospiti speciali

della serata, Maria Teresa Ruta e Massimo Giletti. “Siamo orgogliosi

di festeggiare il nostro anniversario con un grande evento

“La nostra energia è il futuro”,

mostra-evento allestita alla Triennale di Milano

Marco Colatarci, Direttore Generale di Solvay Italia,

Silvio Griselli, dipendente Solvay, Maria Teresa Ruta,

Michele Huart, direttore di stabilimento della Solvay

di Rosignano, Massimo Giletti

in un celebre luogo dell’innovazione internazionale – ha dichiarato Colatarci - la mostra ha un forte valore simbolico

che vuole sottolineare come il mondo della chimica sia centrale per il futuro di ogni individuo”.

Marco Colatarci è il nuovo Direttore Generale Solvay Italia - Marco Colatarci

succede a Marco Martinelli in qualità di nuovo Direttore Generale Solvay

Italia. Nato nel 1954 e di origine livornese, Colatarci è laureato in Ingegneria

Meccanica presso l’Università degli Studi di Pisa. Ha conseguito Master in

Managing in the Uncertainly presso la Business London School, in Business

Executive Development presso l’IMD di Losanna, in Analisi del Valore e Creatività

nell’impresa presso La Scuola di Amministrazione Aziendale dell’Università

Luigi Bocconi di Milano. Colatarci inizia la sua carriera presso la

Società Sarplast S.p.A. operante nel settore del Composite Piping Manufacturing

come Ingegnere Responsabile dei Servizi Tecnici e Manutenzione di

Stabilimento, partecipando a molti progetti internazionali. Dall’89 entra a far

parte del Gruppo Solvay iniziando a lavorare nella società controllata GOR AS

S.p.A. dedicata al settore automotive. Nel 1998 diventa Direttore di Stabilimento

e nel 2000 Amministratore Delegato, gestendo le joint venture in Cina, Corea e le start-up in Brasile.

Nel 2002 è nominato European Managing Director alla Solvay RBU PVC Rigid Foils e Amministratore Delegato

delle due Società ADRIAPLAST S.p.A. & CALEPPIOVINIL situate in Italia. Continua la carriera nel Gruppo

diventando nel 2005 Direttore Risorse Umane Solvay Italia e Solvay Solexis WW HR & TQM Manager, successivamente

nel 2011 ricopre la carica di Deputy Country Manager Italy, fino alla nomina attuale.


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I progetti internazionali, la rapida progettazione,

la disponibilità di componenti e sistemi collaudati

garantiscono la sicurezza di processo

e l’affidabilità dell’impianto.

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IL MONDO

INTERAPP & HYDROTECH ENGINEERINGdell’end-user

LE MIGLIORI SOLUZIONI

PER IL TRATTAMENTO

DELLE ACQUE

InterApp è un'azienda tecnologica e di project management che vanta 40 anni

di esperienza e una tecnologia con licenza esclusiva nel settore delle valvole

e dei fluidi. Sviluppa soluzioni per i settori industriali del trattamento delle acque,

della Power Generation, dei processi chimici e della Life Science

34 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


Nel 2010 AVK ha assunto il 100% del capitale azionario della InterApp, permettendo

così all'azienda di ampliare il proprio portafoglio prodotti, mantenendo la stessa qualità

e attenzione al cliente che ne hanno fatto una protagonista nel settore delle valvole.

La tecnologia all’avanguardia con licenza esclusiva costituisce uno dei fondamenti

della società, che ha deciso di coinvolgere i propri clienti nel Processo di Innovazione

per ottenere fin dall’inizio, grazie al loro contributo, valide informazioni

per lo sviluppo delle soluzioni

Le innovazioni nel campo delle tecnologie di rivestimento rendono

InterApp leader nello sviluppo di prodotti con elevata

resistenza alla corrosione, all’abrasione e all’usura.

Nel corso degli anni l'azienda ha effettuato consistenti investimenti

in linee di assemblaggio all’avanguardia e infrastrutture

di collaudo sofisticate, per poter fornire prodotti con i più elevati

standard tecnologici e rispondere rapidamente ai bisogni

individuali dei clienti. I prodotti InterApp sono realizzati con

gli standard più elevati e sono conformi alle norme e ai regolamenti

internazionali. Come membro del Gruppo AVK, l'azienda

è oggi in grado di offrire una delle serie più complete di prodotti

e soluzioni nel campo industriale.

Primarie aziende mondiali come Degrémont, Veolia, Hyflux

ecc. utilizzano la grande esperienza di InterApp, la competenza

tecnologica nella produzione ed anche le capacità di project

management nelle tecniche sul trattamento delle acque. Grazie

a un sofisticato sistema di produzione modulare accurato, l'azienda

è in grado di fornire i prodotti che rispondono alle specifiche

esigenze dei clienti, in ogni parte del mondo.

I campi di utilizzo dei prodotti dell'azienda comprendono il

trattamento delle acque reflue industriali e comunicali, il trattamento

dell'acqua potabile, la distribuzione d'acqua, la desalinizzazione

dell'acqua di mare, la micro elettronica (semiconduttori,

solare), sistemi di riscaldamento e condizionamento,

HVA e piscine, l'industria della carta e della cellulosa.

Aquaria - valvola a farfalla

Per quanto riguarda il trattamento e recupero delle acque industriali InterApp ha recentemente fornito

a Hydrotech Engineering Srl valvole Aquaria e attuatori per la realizzazione di alcuni importanti

impianti di recupero delle acque in India. Le Aquaria sono valvola a farfalla centrica con manichetta

in elastomero. Sono adatte in diversi campi di applicazione: impianti nel settore edile, piscine e irrigazione.

Soddisfano completamente le esigenze di sicurezza relative all’appendice I delle direttive europee

per apparecchi di pressione 97/23/EG (DGR) per fluidi dei gruppi 1 e 2. Il campo di temperatura

copre un range da -10° C a +130° C, a seconda dei materiali e delle condizioni di esercizio.

Hydrotech Engineering opera da anni sia a livello nazionale che in campo internazionale, costruendo

impianti tecnologicamente avanzati per il trattamento delle acque, sia primarie che di scarico, utilizzando

con particolare profitto le tecnologie delle membrane semimpermeabili per il recupero e il riutilizzo

delle acque di processo e di scarico. Filippo Briani, General Manager della società, ci parla degli

ultimi impianti realizzati in Asia, che hanno usufruito della tecnologia all'avanguardia InterApp.

"In india abbiamo realizzato 15 impianti, e i più interessanti sono quelli realizzati negli ultimi tre anni:

si tratta di attività di recupero dell'acqua di scarico.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 35


IL MONDO

INTERAPP & HYDROTECH ENGINEERINGdell’end-user

I nostri impianti non si limitano alla semplice depurazione, ma al

trattamento con tecnologia biologica e delle membrane semipermeabili,

volta al recupero dell'acqua di scarico. Un'applicazione

moderna e interessante di cui si parla sempre più spesso". I clienti

di Hydrotech sono i principali attori del mondo dell'industria tessile,

aziende importanti che esportano in tutto il mondo. Il Governo

indiano e il mercato richiedono determinati standard ambientali

che comprendono anche il recupero dell'acqua di scarico.

La tecnologia utilizzata dall'azienda rappresenta una novità degli ultimi

anni, un nuovo approccio per riutilizzare l'acqua.

"Siamo passati - continua Briani - da trattamenti comunque validi,

standard e ormai maturi, a un nuovo approccio al trattamento dell'acqua

reflua, che porta a un suo riutilizzo". Hydrotech Engineering non

fornisce impianti standardizzati, ma studia l'esigenza del singolo cliente,

e su di esso procede all'ingegnerizzazione di una soluzione specifica.

Ma come funziona il processo di trattamento e recupero delle

acque? "Si basa su un pretrattamento biologico atto alla riduzione del

carico organico per via biologica, che tuttora è la tecnologia che per-

36 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

mette il miglior compromesso in termini di consumo energetico e

bilancio ambientale in genere. L'inquinante che viene trasformato in

un fango biologico è più gestibile rispetto a un fango chimico. Con un

impatto molto minore si ottiene acqua depurata, ma che non è possibile

riutilizzare per scopi di processo. La sezione del trattamento biologico

deve essere disegnata per poter alimentare in maniera congrua

la sezione di recupero.

Il processo si basa su 2 step. Durante la fase iniziale di ultrafiltrazione

si separano le particelle anche più piccole dei virus, in modo che l'acqua

sia completamente priva di solidi sospesi e di forme batterica o

virus. Dopo questo passaggio rimangono soltanto acqua e sostanze

disciolte, ma l'acqua non può essere ancora riutilizzata, perché le

sostanze disciolte vanno rimosse. E' a questo punto che si passa alla

fase di osmosi inversa, durante la quale un filtro permette la separazione

delle sostanze disciolte.

L'osmosi provvede alla creazione di uno stream di acqua purissima e

un concentrato salino che può essere evaporato o scaricato a mare

se l'impianto si trova in prossimità del mare.


Il concentrato salino può anche essere recuperato come fertilizzante,

ad esempio nel trattamento del digestato proveniente dalla fermentazione

anaerobica delle biomasse vegetali. Il prodotto residuo della

digestione anaerobica viene chiamato digestato, ed è caratterizzato

dall’alto contenuto di sostanza organica difficilmente biodegradabile,

da elevate concentrazioni di solidi e da un’alta concentrazione di

azoto residuo. Il suo trattamento richiede trattamenti mirati che utilizzano

le migliori soluzioni tecnologiche disponibili, in modo da avere

costi gestionali ottimali, performance elevatissime in termini di rimozione

e abbattimento degli inquinanti e ridotto impatto ambientale. Le

più moderne tecnologie nel campo delle membrane semipermeabili

consentono a Hydrotech Engineering la riduzione e l’eventuale recupero

dell’azoto presente nel digestato prodotto dalla digestione anaerobica

dei rifiuti organici e delle biomasse, con il recupero di acqua di

altissima qualità, tale da poter essere reimpiegabile per scopi industriali

o scaricabile, rispettando le più stringenti normative ambientali.

Con l’applicazione di queste tecnologie il ciclo di trattamento a scarico

zero è una concreta realtà. Per il procedimento di recupero delle

acque di scarico sono necessari macchinari che utilizzano un numero

elevato di valvole, e che prevedono cicli periodici di lavaggio e pulizia.

Sono necessari numerosi azionamenti al giorno, per tanti giorni e

per tanti anni. Grazie alla collaborazione con InterApp è stato possibile

trovare un buon compromesso tra qualità e prezzo, necessario per

realizzare impianti efficienti, in grado di sopportare i carichi di lavoro

richiesti dalle ultime tecnologie utilizzate per il recupero delle acque.

"L'impianto che stiamo costruendo oggi in India ha una capacità

nominale di 10.000 metri cubi al giorno. E' composto da una sezione

biologica, una di trattamento biologico, una sezione di ultrafiltrazione

e di osmosi inversa più un'unità di finissaggio con ozono. Grazie a

questo sistema siamo in grado di garantire un recupero di acqua di

scarico dello stabilimento pari al 90%. Le valvole utilizzate sono circa

200, e principalmente si tratta di valvole a farfalla e non ritorno a doppio

battente. Facciamo un grande utilizzo di valvole automatiche che,

per il carico di lavoro degli impianti, devono sempre funzionare al

meglio, e garantire efficienza a lungo termine. Dal punto di vista manutentivo

fino ad oggi abbiamo avuto ottimi risultati dalle valvole InterApp.

Le rotture sono rare e solitamente dipendono dalle condizioni

ambientali, non dalla valvola in sé. In genere il ciclo di vita di una valvola

è di circa 20 anni, e fino ad oggi non abbiamo mai avuto bisogno

di ricambistica. Possiamo dire con certezza che nello spettro delle

nostre apparecchiature, il valvolame è sicuramente quello che ci dà

meno pensieri. Risparmiare "a monte" sugli acquisti spesso si trasforma

in un problema. La collaborazione con InterApp ci ha permesso di

superare questo problema, perché le valvole fornite dall'azienda ci

offrono un giusto equilibrio tra elevata qualità e prezzo". Cosa succede

invece in Italia? "Nel nostro paese non abbiamo ancora richieste

consistenti per impianti che utilizzano le membrane semipermeabili

per il recupero dell'acqua di scarico, sostanzialmente perché in Italia

non c’è ancora scarsezza di questa risorsa. Abbiamo invece richieste

per trattare reflui particolarmente difficili come il percolato di discarica

e il digestato proveniente dal trattamento di biomasse dove abbiamo

ottenuto ottimi riscontri. In particolare trattiamo il digestato dopo la

Segmenti di mercato InterApp: Trattamento delle acque / processi chimici / power generation / life science

fermentazione anaerobica dei rifiuti: si tratta di un'applicazione di nicchia

e complessa, ma che presenta le stesse caratteristiche tecnologiche

del recupero dell'acqua di scarico. Anche in questo caso le valvole

rappresentano una componente fondamentale, perché gestiscono

i cicli di lavoro delle membrane. Le grandi produzioni tessili in Italia

ormai non ci sono più, e i grandi stabilimenti e i clienti si sono trasferiti

in India o in Asia in genere. In India in particolare abbiamo riscontrato

una grande attenzione all'acqua. Inoltre qui il mercato impone e

guida verso determinati standard. In Italia invece c'è un approccio

diverso, legato alla quantità del trattamento. Inoltre un impianto da

10.000 metri cubi al giorno d'oggi in Italia è una rarità, mentre nei

paesi emergenti è più una prassi, perché c'è più spazio. Nel nostro

paese siamo comunque presenti, con impianti più di nicchia, tecnologicamente

più complessi, come il già citato trattamento di biomasse.

Si tratta di impianti meno altisonanti come portata, però dal punto di

vista tecnologico siamo a un livello molto alto".

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 37


IL MONDO

INTERAPP & HYDROTECH ENGINEERINGdell’end-user

38 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

IL PROCESSO DI TRATTAMENTO DEL DIGESTATO HT

Si basa su tre stadi di trattamento principali: comparto di trattamento biologico/ultrafiltrazione/osmosi inversa.

I parametri di funzionamento di ogni stadio possono poi essere adattati alle necessità del cliente in modo

da soddisfare le specifiche esigenze di processo.

Nel primo comparto di trattamento biologico i solidi sospesi

e parte della carica organica disciolta vengono metabolizzati

dai batteri aerobici e trasformati in un fango biologico

stabile, che può essere separato e disidratato.

Anche questa parte di sostanza organica, quindi, può poi

essere recuperata. Con il processo di bioossidazione

nitro/denitro, si abbatte parzialmente anche il carico di

azoto, trasformandolo in azoto atmosferico per via biologica.

Il fango biologico aerobico ha poi caratteristiche ottimali

per essere separato tramite l’unità di ultrafiltrazione seguente. Hydrotech Engineering adotta la tecnologia dell’Ultrafiltrazione tangenziale tubolare.

Tale processo, che porta ad un abbattimento totale dei solidi sospesi e colloidali e della carica batterica, è un pretrattamento necessario

per permettere all’ osmosi inversa di lavorare correttamente sulla carica inquinante disciolta. Le membrane di UF sono disponibili in un ampio

range di materiali e conformazioni geometriche differenti; Hydrotech Engineering ha sviluppato la tipologia per impianti compatti serie BP, utilizzando

la tecnologia delle membrane tubolari controlavabili, particolarmente adatte a trattare acque cariche. L'azienda può proporre impianti di

UF realizzati con tubi da 5 fino a 10 mm di diametro interno per applicazioni con acque con alta concentrazione di solidi sospesi.

Le membrane utilizzate sono realizzate principalmente in PVDF composito con poliammide di rinforzo per le sue buone proprietà chimiche, che

lo rendono adatto anche a processi di lavaggio spinti. Con questa tecnologia la fase di ossidazione biologica può essere condotta con elevatissime

concentrazioni di solidi sospesi, condizione necessaria per ridurre i volumi degli impianti e ottimizzare la resa di depurazione.

La tecnologia dell’osmosi inversa è ora largamente riconosciuta come il più efficace ed economico sistema per ottenere acqua pura da fonti di

approvvigionamento diverse, come ad esempio acque salmastre, acque di mare o acque di processo e di scarico anche per il loro eventuale

riutilizzo. Nel caso del trattamento del digestato l’impiego di questa tecnologia permette, con bassi consumi energetici, di andare a separare i

microinquinanti in esso presenti in elevatissime concentrazioni e di ottenere rese di purificazione eccezionali. Il grado di filtrazione garantito dalle

membrane ad osmosi (detto taglio molecolare), permette di andare a filtrare anche i composti a più basso peso molecolare: ioni metallici, sali

in soluzione, molecole organiche con peso molecolare inferiore a circa 100 Dalton. Questa caratteristica applicata al digestato garantisce rese

di depurazione non raggiungibili con nessuna altra tecnologia. Per esempio, il COD del permeato è nella maggior parte dei casi inferiore a 50

ppm e si possono raggiungere livelli di concentrazione di ammoniaca di poche parti per milione, partendo da valori superiore al migliaio.

Limite di questa tecnologia è il fatto che la concentrazione di sostanze in soluzione che si riesce a realizzare (grado di concentrazione) è proporzionale

alla pressione applicata. Esistono, quindi, dei limiti al rapporto massimo di concentrazione che si può ottenere, limiti dati alla struttura

delle membrane stesse e dalla composizione chimica del refluo. Con la tecnologia dell’osmosi inversa si può raggiungere una concentrazione

totale di solidi disciolti nel concentrato pari a circa il 7-8%.


member of


GRANDANGOLO

ROCKWELL AUTOMATION - ACS DOBFAR

Piattaforma modulare

per il controllo dell’intero

processo produttivo

Un’importante società

farmaceutica estende

le proprie attività

al settore degli

alimenti per pesci,

usando l’attuale

impianto di fermentazione

e la soluzione

all’avanguardia per il

controllo di processo di

Rockwell Automation.

40 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


ACS Dobfar, società privata italiana,

possiede 13 stabilimenti di produzione,

sette dei quali sotto il controllo della

FDA statunitense. È tra le prime cinque

società chimico-farmaceutiche al mon -

do, oltre che uno dei principali produttori

di penicillina e cefalosporina sfusi,

entrambi per uso orale e per iniezione. I

suoi ingredienti farmaceutici attivi (API)

vengono esportati in tutto il mondo.

Si tratta di uno dei principali esportatori

verso il mercato USA e di molti altri

paesi. Nonostante la costante e forte

concorrenza nei mercati emergenti,

ACS Dobfar detiene un’importante

quota del mercato globale grazie a rigorose

procedure di controllo qualità, investimento

in know-how di ricerca e sviluppo,

risorse umane ed integrazione

verticale ed internazionale. Nel recente

progetto, è stata contattata da una

grande società giapponese per la produzione

di astaxantina, un supplemento

di composti polivitaminici agli alimenti

per salmoni che favorisce la tipica colorazione

di carne e pelle. La richiesta è

stata fatta perché ACS Dobfar possiede

uno dei pochi impianti di fermentazione

su larga scala rimanenti in Europa ed il

processo di produzione del supplemento

alimentare per pesci non differisce

molto da quella dei tradizionali composti

farmaceutici. Per la soluzione di processo,

ACS Dobfar si è rivolta a Rockwell

Automation ed alla sua soluzione di controllo

di processo PlantPAx.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 41


GRANDANGOLO

ROCKWELL AUTOMATION - ACS DOBFAR

La sfida - La società aveva bisogno di un sistema pratico, affidabile

ed in grado di interagire con tutti i PLC sulle varie apparecchiature

di processo. Aveva anche bisogno di una soluzione modulare,

flessibile ed in grado di interfacciarsi con le principali reti,

come ControlNet, DeviceNet e ModBus, offrendo ridondanza e

capacità diagnostiche. La tecnologia di fermentazione è rimasta la

stessa ma la società aveva bisogno di una nuova struttura di purificazione,

situata in un nuovo edificio, ed ha stabilito tempi serrati

per l’installazione. “Un’ulteriore sfida consisteva nel fatto che si

trattava di un processo nuovo - spiega Renato Donnarumma,

responsabile del reparto di sviluppo di ACS Dobfar - Ogni nuovo

processo comporta il confronto con problematiche specifiche che

bisogna risolvere. Dovevamo installare anche apparecchiature di -

verse da quelle presenti nel nostro normale impianto, tra cui un

nuovo filtro disidratatore, e costruire una nuova camera bianca”. Il

processo di separazione preleva il brodo di fermentazione e lo purifica.

Sebbene si tratti “solo” di alimenti per pesci, i requisiti di qualità

sono identici a quelli degli API della società.

Soluzione - La soluzione PlantPAx comprendeva un sistema

ridondante 1756-L63 ControlLogix di Allen-Bradley, supportato da

un server di interfaccia ridondante con FactoryTalk SE (distribuito)

e client, oltre che maschere di interfaccia e istruzioni aggiuntive

ControlLogix. La comunicazione con i dispositivi di terzi avveniva

attraverso schede di comunicazione Modbus e schede di I/O analogici

HART. “È una soluzione eccellente - spiega Donnarumma -

Non si tratta di un DCS e neanche di una soluzione PLC/SCADA

ma di un sistema che offre il meglio di entrambi i mondi. Uno degli

elementi positivi, è che tutte le apparecchiature Rockwell Automation

sono integrate. Normalmente, l’integrazione dei componenti in

un impianto su questa scala è un problema ma non è stato così con

le apparecchiature Allen-Bradley che parlano tra loro richiedendo

solo una minima configurazione aggiuntiva”. La soluzione Rockwell

Automation installata includeva: Soluzione PlantPAx; FactoryTalk;

PAC 1756-L63 ControlLogix ridondante di Allen-Bradley; Server di

42 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

interfaccia ridondante; Scheda di comunicazione Modbus; Scheda

di I/O analogici HART; Supporto di Rockwell Automation da

parte dei team Global Solutions e Services and Solutions.

Risultati - “Siamo estremamente soddisfatti della nuova struttura.

L’impianto è attivo e in funzione e tutto procede come previsto.

Il team di Rockwell Automation è stato molto professionale ed ha

lavorato molto bene con il nostro team tecnico interno”.

Rockwell Automation è stata in grado di soddisfare tutti i requisiti di

progetto fin dall’inizio, occupandosi anche di alcuni aspetti che non

erano stati richiesti durante la pianificazione ma che potevano essere

implementati senza aumentare troppo i costi e senza un eccessivo

dispendio di tempo e impegno. “La possibilità di integrare il

sistema di controllo di processo con i moduli batch, per esempio,

non è la sola opportunità creata da Rockwell Automation – conclude

Donnarumma. Abbiamo apprezzato la semplicità con cui il sistema

di processo del nuovo impianto interagirà con le future soluzioni

DCS, basate sulle apparecchiature Rockwell Automation. Proprio

in questo mo mento, infatti, è in fase di approvazione un secondo

DCS basato su Rockwell Automation”.

ACS Dobfar si è anche avvalsa della collaborazione degli integratori

di sistemi locali, direttamente gestiti da un project manager di

Rockwell Automation. Avere assistenza vicino allo stabilimento e

per il team di engineering che lavora nell’impianto di Anagni ha rappresentato

un grande vantaggio, perché ha rafforzato le relazioni e

favorito una comunicazione più efficace. Il gruppo Global Solutions

di Rockwell Automation ha gestito e coordinato tutte le attività per

l’intero ciclo di vita del progetto. La gestione del progetto era centrata

soprattutto sulle attività di sviluppo ed integrazione del quadro

elettrico installato presso ACS Dobfar, gestite dal team di assistenza

e supporto e da un quadrista italiano locale, e sulle attività di formazione

ed assistenza per il software, l’interfaccia ed il sistema di

controllo (ControlLogix), intraprese con l’integratore di sistemi locale.

Il team ha gestito anche la collaborazione tra il project manager

di ACS Dobfar, l’Ing. Giuseppe Frisenna, che ha dedicato molto del

suo tempo e del suo lavoro a fornire le migliori informazioni a tutti i

soggetti coinvolti nel progetto, e l’integratore di sistemi. L’obiettivo

era minimizzare i rischi ed ottenere i migliori risultati in termini di prestazioni

del processo e tempi di esecuzione. Importante è stato

anche il supporto fornito al team Global Solutions, in termini di

esperienza e competenza tecnica, dal team Service and Support di

Rockwell Automation, in occasione del test di accettazione (FAT)

eseguito presso il quadrista insieme al cliente ed all’integratore di

sistemi. Grazie a Rockwell Automation ACS Dobfar ha ottenuto un

pogetto a scadenza improrogabile consegnato puntualmente, una

soluzione all’avanguardia per il processo downstream che presenta

massima compatibilità con le future installazioni DCS, facile gestione

dei moduli Hart, semplificazione delle operazioni di monitoraggio

e risoluzione dei problemi, e infine una maggiore flessibilità.


Un’unica piattaforma modulare che controlla l’intero processo produttivo

In passato, per ottenere risultati ottimali a livello di produzione si dovevano sacrificare aspetti come la velocità della linea o la

qualità dei prodotti. Oggi le attuali soluzioni di controllo di processo, come PlantPAx di Rockwell Automation, non rendono più

necessari tali compromessi e offrono alle aziende opportunità di controllo, rendimento e di ottimizzazione della produzione che

non hanno precedenti.

PlantPAx fornisce un'unica piattaforma di controllo per l’intero impianto, dalle applicazioni di controllo di processo, a quelle

legate alla parte di confezionamento ad alta velocità, e che può integrarsi perfettamente con le macchine dei fornitori e nel

contempo soddisfare le esigenze dell’intera azienda. Fornendo un flusso di informazioni continuo, dalla strumentazione di processo

fino ai sistemi MES, PlantPAx rappresenta una soluzione flessibile, espandibile e completa per le applicazioni di automazione

di processo che può aiutare le aziende a:

massimizzare la produttività; migliorare qualità e affidabilità; ottimizzare la flessibilità e la velocità di accesso ai mercati; ridurre

il costo di implementazione; minimizzare i costi di legati al ciclo di vita; essere conformi alle normative vigenti.

Ma non solo, PlantPAx aiuta a ridurre il total cost of ownership. L’utilizzo di una singola piattaforma di controllo aperta e conforme

agli standard di settore, rende possibile l’utilizzo di fornitori locali e quindi la riduzione dei costi di manutenzione, grazie

a contratti di assistenza economicamente vantaggiosi e il conseguente abbassamento dei costi del magazzino ricambi e

di formazione. PlantPAx propone diverse soluzioni di ottimizzazione in grado di aiutare ad abbattere i costi, fornire una qualità

costante e generare un aumento nella produzione, per ogni minuto di attività. Grazie alla sua gestione dati distribuita, Plant

Pax supporta e migliora l’efficacia del processo decisionale. I dati dell’intero impianto vengono raccolti, salvati e analizzati e

vengono forniti una serie di strumenti che aiutano a prendere le decisioni. Grazie alla tecnologia Model Predictive Control

(MPC) - una soluzione di controllo di livello superiore che si posiziona sopra i tradizionali sistemi di automazione - è possibile

migliorare le regolazioni in anello chiuso in tempo reale, confrontarli con i risultati desiderati e modellizzare nuovi obiettivi di

controllo per ridurre la variabilità all’interno del processo e migliorare le prestazioni.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 43


DOSSIER

MANUTENZIONE & SICUREZZA


Il tema della manutenzione è strettamente collegato a quello della sicurezza.

Si tratta di un legame talmente forte che risulta difficile distinguere nettamente i due

ambiti e pensare di poter mettere in campo azioni manutentive che non tengano conto

della sicurezza. Se ne parla con Francesco Cominoli, ingegnere meccanico, che da anni

esercita l'attività di consulenza in progetti completi di ingegneria di manutenzione

46 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

SIM - sistema informativo di manutenzione

La manutenzione genera sicurezza

La manutenzione va eseguita in sicurezza

Per approfondire meglio la correlazione

tra i due principi e la solo apparente

ovvietà dei medesimi, gioverà riprendere

un concetto fondamentale, già proposto

nel 2008 su queste stesse colonne

da chi scrive: “... esiste invece una condizione

necessaria al verificarsi del sinistro:

l’instaurarsi di uno stato di anomalia.

Anomalia è qualunque scostamento

dalle condizioni prescritte dallo

stato dell’Arte: mancanza di protezioni,

segnalazioni, piuttosto che comportamento

non conforme, piuttosto che avaria

tecnica. Lo stato di anomalia, per

fortuna, non è anche condizione sufficiente

per il sinistro: il distacco di un

bullone con caduta dall’alto (anomalia

tecnica) non basta per ferire automaticamente

qualcuno senza casco

(anomalia comportamentale)….”


Mentre non sussistono dubbi che la rimozione e, soprattutto,

la prevenzione dell’anomalia tecnica coincidano con la

“missione” della Manutenzione, potrebbe ragionevolmente

sussisterne qualcuno sulla competenza di questa Arte nella

rimozione e nella prevenzione delle anomalie comportamentali.

Per esporre come questo limite sia invece già stato

superato dall’integrazione virtuosa di entrambe le competenze,

è prima necessario far riferimento a un evento di inizio

2012. Si tratta della presentazione delle prime evidenze

di una ricerca a nostro giudizio decisamente importante,

che ha già avuto un secondo momento di dibattito in giugno

ed è tutt’ora in evoluzione.

La Ricerca è a cura della School of Management (Politecnico

di Milano, Dipartimento di Ingegneria Gestionale, MIP),

Osservatorio TeSeM (Tecnologie e Servizi per la Manutenzione).

Titolo della Ricerca “Come evolvere verso la manutenzione

basata sulle condizioni” [ovvero sulla Diagnostica

Precoce. NdR] Best practices & best avaliable technologies.

Il Booklet del Febbraio 2012 è reperibile c/o

www.tesem.net. E’ da sottolineare che il titolo formale della

Ricerca è limitativo rispetto all’effettiva ampiezza della

medesima, che coinvolge tutto l’impianto del “Progetto

Manutenzione”. Riportiamo per brevità le evidenze che ci

interessano maggiormente.

Francesco Maria Cominoli

66 anni, laureato in Ingegneria Meccanica, ha acquisito una vasta esperienza in

progettazione, Plant Engineering e Ingegneria di Manutenzione in primarie Aziende

italiane e Multinazionali, sia come Dirigente che come Libero Professionista.

Past Vice President dell’A.I.MAN. (Associazione Italiana Manutenzione), ha contribuito

attivamente all’affermazione formale dell’Ingegneria di Manutenzione

come Disciplina a sé stante, anche collaborando con varie Facoltà di Ingegneria

Italiane (Politecnico di Milano, Università Politecnica delle Marche, Università

degli Studi di Bergamo e Parma). Terminata la propria attività lavorativa in ABB

PS&S, col ruolo di Global Service Technical Manager nella Automation Technologies

Division, Italy, dal 2007 opera come Senior Consultant in progetti completi di

ingegneria di manutenzione.

Il SIM, sistema informativo di manutenzione è, ad oggi, il

principale punto di forza tecnologico [per la crescita della

Maturità Aziendale NdR].

Dalla lettura si evince con dimostrata chiarezza che la

gestione informatizzata della manutenzione è fattore di crescita

prioritario, persino rispetto alla formalizzazione della

stessa Ingegneria di Manutenzione.

Lo è anche per la generazione di sicurezza dichiarata in

apertura. Il disporre di basi analitiche (oggettive) per pianificare

la prevenzione, monitorare nel tempo l’Affidabilità,

giustificare modifiche e migliorie e verificarne il buon fine…

questo ed altro ancora, permettono al manutentore di contrastare

in forma efficiente ed efficace il verificarsi dell’anomalia

tecnica. Ma non solo.

Una volta implementato un SIM valido e capace di dialogare

con altri Sistemi, la Manutenzione ha a disposizione

anche strumenti per contribuire al contrasto delle anomalie

comportamentali, in particolare quelle che riguardano le

precauzioni o meglio gli adempimenti relativi all’accesso

alle aeree di lavoro.

Nell’ambito di una delle Sessioni del recente MCM-Day,

tenutosi a Verona il 24 e il 25 ottobre 2012 è stata presentata

una variante del “palmare” per l’inserimento dei dati

relativi a un qualsivoglia intervento.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 47


Obiettivo dell’applicazione: prima di effettuare e consuntivare

un intervento di manutenzione, permettere ai Responsabili di

far eseguire e certificare passo passo anche la procedura di

sicurezza. Il particolare interesse insito nella “variante” al palmare

è di tipo semplificativo: il tutto può avvenire tramite un

normale telefono cellulare. La soluzione per il supporto e il

controllo delle attività di campo si basa sulla tecnologia NFC

(Near Field Communication) e consente di gestire attivamente

alcuni fra i principali processi critici aziendali:

- safety – Sicurezza sul Lavoro (controllo delle procedure di

sicurezza)

- security – Vigilanza (certificazione delle ispezioni, monitoraggio

degli accessi, etc.)

- controllo dei processi produttivi (operations, produzione e

manutenzione, etc.)

- gestione e controllo attività delle terze parti (controllo delle

performance e dei relativi indici o KPI delle terze parti).

La soluzione integra e semplifica l’implementazione delle

procedure aziendali con istruzioni semplici e intuitive (es.

“avvicina qui il cellulare”). All’insorgere di un fabbisogno di

manutenzione di qualsivoglia natura (correttiva, ciclica, predittiva

o migliorativa) l’apertura e la consuntivazione del corrispondente

OdL possono essere effettuate in una sola

sequenza con fasi pre-configurate, capaci di far convergere

univocamente tutte le informazioni che descrivono l’evento,

iniziando dalla certificazione dell’avvenuta osservanza delle

procedure di sicurezza individuali. Più in dettaglio:

1.Gli asset vanno dotati di un TAG NFC univoco

2.Avvicinando il cellulare, il TAG NFC attiva in modo automatico

la sequenza di procedure progettata dalle Funzioni

Sicurezza e Manutenzione

3.Su ogni dispositivo di sicurezza assegnato (es. casco,

guanti, attrezzi, etc.) sarà posizionato un TAG NFC che,

letto dal cellulare, verificherà e certificherà la presenza

dello stesso.

4.Sul cellulare sono scaricate le procedure presentate all’operatore

attraverso file multimediali (testo, audio, video)

5.Ad ogni attività della procedura, l’operatore procederà con

il completamento della check list, inviandone l’esito al

sistema informativo.

Inoltre gli aggiornamenti delle procedure possono essere fatti

real time; i dispositivi utilizzati sono standard (cellulari con

voce/SMS, etc.); per applicazioni particolari in ambienti a

rischi incendio è disponibile anche la versione Atex 2 ( es.

cabine metano) e Atex 1 (es. raffinerie); l’applicativo potrà,

volendo, provvedere l’acquisizione di una foto da allegare

all’intervento effettuato.

48 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

SIM - sistema informativo di manutenzione

Vantaggi immediati per la prevenzione

di anomalie comportamentali e tecniche:

- Protezioni individuali e precauzioni legate al luogo di lavoro

sono formalmente evidenziate all’operatore e confermate

dal medesimo. In caso di intervento su guasto

(Manutenzione Correttiva) la situazione potrebbe richiedere

cautele supplementari.

La possibilità di aggiornare le procedure in real time risponde

a questa esigenza;

- Le attività cicliche di manutenzione, ingrassaggio e ispezione

visiva sono certificate una per una. Si elimina, anche

per i Terzi, il famigerato e pericoloso modulo con le “crocette”

sulla voce “fatto”, spesso compilato a posteriori e

talvolta, purtroppo, non corrispondente al vero.


Vantaggi successivi in sede

di Miglioramento Continuo:

- Le attività di ispezione periodica strumentale (Predittiva)

sono univocamente correlate al TAG dell’oggetto di

manutenzione. Il complesso problema della tracciatura

degli eventuali interventi fisici scaturiti dalla diagnostica

precoce risulta automaticamente risolto. Ciò permette di

misurare il livello di servizio della Predittiva e la reattività

del Sistema agli esiti della diagnostica precoce;

- L’esito delle attività di modifica e miglioria è automaticamente

verificabile dall’auspicato abbattimento di interventi

correttivi sul TAG oggetto di Manutenzione Migliorativa;

- La soluzione prevede l’integrazione con i migliori sistemi

di asset managment (a titolo esemplificativo e non esaustivo,

INFOR, Maximo, SAP….) o in alternativa una semplice

ed efficace interfaccia Web/excel “custom” ovvero

autoprodotta. Per esperienza pregressa, raccomandiamo

la soluzione autoprodotta (tipicamente Excel o Access)

solo nella fase sperimentale - propedeutica dell’implementazione

del SIM. Per sfruttare al meglio le potenzialità

dei sistemi e non incorrere in errori di impostazione difficili

da rimuovere a cose fatte, raccomandiamo parimenti

l’acquisto di un SW specifico per la manutenzione nella

fase definitiva. Ciò in quanto un SIM strutturato consente

di gestire la mole esaustiva ma necessariamente notevole

di operazioni in campo, che la tecnologia NFC rende

disponibile “dialogando” in real time.

Ulteriori vantaggi

Senza voler pretendere di entrare nello specifico, ci interessa

però evidenziare che dal Principio di Diligenza che

caratterizzava il DL 626/94 ci si è evoluti verso il Principio

del Dovere di Sicurezza del DL 231 dell’8 giugno 2001.

Relativamente alla fase esecutiva, la certificazione risultante

dall’utilizzo di un sistema come quello sopra descritto

fornisce, in caso di infortunio, una corretta e oggettiva

ripartizione delle responsabilità tra Operatori, Addetti e

Responsabili.

Conclusioni

Si evidenziano due fattori di successo non nuovi ma di

accresciuto livello di priorità. Il primo è l’esigenza che il

soddisfacimento di un qualsiasi fabbisogno di manutenzione,

programmata e non programmata sia tracciato secondo

requisiti precisi e codificati. Il secondo è costituito dal

crescente valore tecnico ed economico del contenuto

informativo della “tracciatura” completa di detto fabbisogno

per una sistematica ottimizzazione del livello di servizio

reso. La tecnologia attuale, applicabile in qualsiasi Settore

Merceologico, supporta Operatori e Gestori con strumenti

potenti e semplici da usare e partendo da apparecchiature

normalmente in commercio. Il flusso di informazioni

complete, veritiere e disponibili in real time consente,

tra l’altro, di prendere decisioni su basi analitiche, attendibili,

continuamente aggiornate, verificabili e non alterabili.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 49


INTERVISTA INTERVISTA A FRANCO SANTINI PRESIDENTE AIMAN

Manutenzione e Sostenibilità

Il 20 e 21 novembre l’Aiman, Associazione Italiana di Manutenzione, ha tenuto il XXIV

Congresso Nazionale a Firenze, presso il Learning Center della General Electric,

vero centro di eccellenza nella formazione tecnologica avanzata. Abbiamo incontrato

l’ing. Franco Santini, Presidente Aiman, per conoscere lo stato dell’arte di questa

disciplina e i risultati del Congresso, che aveva come sintesi dei lavori, un titolo

quanto mai importante “Manutenzione e Sostenibilità”


FRANCO SANTINI

Ingegnere, è presidente dell’Aiman (Associazione

italiana manutenzione) e past president

dell’EFNMS (European Federation Maintenance

Societies), che raccoglie 21 associazioni, nonché

Chairman del Technical Comité TC 319 Maintenance

del CEN (Committee Europeen de Normalisation

di Bruxelles). L’Aiman opera dal 1959 e ha

sede a Milano presso la FAST di cui è federata.

Rappresenta il riferimento italiano della disciplina

manutentiva e della sua cultura. Formalizza le

conoscenze organizzative, tecniche e operative

in proposte legislative, partecipando alla stesura

delle Norme UNI e CEN, contribuendo allo sviluppo

professionale con un intenso programma di

formazione con AIAS Academy.

50 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

A.I.MAN. è un’Associazione

fondata

a Milano nel 1959,

a carattere scientifico/culturale

e

senza scopo di

lucro, finalizzata

alla diffusione e sviluppo della cultura

e della professionalità nel settore

della manutenzione in Italia.

È un’attività che riveste un ruolo

di primaria importanza nelle industrie

e nei servizi, per il grande

impatto che ha sulla disponibilità

degli impianti, la sicurezza sul

lavoro, la qualità e il costo del prodotto.

Dalla sua fondazione,

A.I.MAN. persegue la missione di

essere il presidio e il riferimento

italiano nello sviluppo della scienza

manutentiva e della sua

cultura. I cambiamenti avvenuti

nel mondo industriale durante la

vita dell’associazione non hanno

modificato questo obiettivo, ma

ne hanno ampliato le prospettive.


La manutenzione è una funzione importante per identificare e mettere a punto progetti

e migliorie capaci di innovare favorendo la crescita professionale e la competitività

In che modo la manutenzione influisce sullo Sviluppo Sostenibile?

“Ricordo che il concetto di Sviluppo Sostenibile è stato studiato e

razionalizzato in tutte le sue componenti dalle Nazioni Unite già nel

1987, ovvero 25 anni fa, quando diffusero in tutto il mondo il Rapporto

Brundtland, che presiedeva la Commissione Ambiente e Sviluppo.

Da anni tutti noi siamo consapevoli della vitale importanza di

conseguire uno sviluppo Sostenibile. Ebbene, osservando la fig. 1,

che da allora ne sintetizza le maggiori componenti, è facile rilevare

come la manutenzione influisca in modo significativo, sia direttamente

che indirettamente, su tutte le componenti:

• su quella Sociale ed Ambientale attraverso la analisi dei rischi e le

attività di manutenzione preventiva

• sulla Sicurezza mantenendo gli impianti e i beni fisici operativamente

sicuri e disponibili

• sull’economia contribuendo all’efficienza ed alla competitività dei

processi e dei servizi, conseguendo sempre maggiori extensions

life degli impianti, con rilevanti benefiche ricadute sulla profittabilità

• sulla vivibilità attraverso il miglioramento della qualità della vita nelle

fabbriche, nelle infrastrutture, nelle città e nel territorio

• sulla equità favorendo la conoscenza e lo sviluppo di mestieri e

attività che richiedono professionalità sempre più avanzate.

Per questi motivi la manutenzione soprattutto nei periodi di crisi, è un

fattore rilevante di economicità e di spinta anche etica, alla crescita in

un’ottica di saper creare valore mantenendo al meglio i beni fisici”.

In un recente incontro della Commissione Uni sulla Manutenzione,

cui anche lei è un esponente di rilievo, è emerso

con forza il concetto che la manutenzione anziché un

costo dovrebbe essere un Investimento. Cosa ne pensa?

“È un’osservazione interessante perché in realtà ogni Costo è in qualche

modo una “Convenzione” e non vi è dubbio che i benefici della

manutenzione vadano al di là dell’anno in cui si effettuano.

La maggior parte degli interventi manutentivi sugli impianti, si pensi alla

Manutenzione Preventiva e a quella Migliorativa, hanno effetti pluriannuali

di medio e talvolta di lungo periodo, che sul piano tecnico sono

assimilabili a veri e propri progetti di investimento, spesso tra l’altro

chiamati quasi a evidenziarne il compromesso, Manutenzione Straordinaria.

Comunque al di là degli schemi contabili, la vista del manutentore

eccellente deve essere lunga, in modo da operare secondo una

visione che lo porti a spendere al meglio pianificando le risorse disponibili

ore-uomo e materiali per raccoglierne ritorni importanti, proprio

come chi investe. Sotto il profilo manageriale la manutenzione è quindi

un investimento, le cui spese devono trovare corretta collocazione sia

nella contabilità industriale che in quella generale di bilancio”.

Secondo lei quale è invece la posizione delle aziende?

Considerano la manutenzione un investimento o una spesa?

“Gli schemi economici ed i criteri della Contabilità considerano la

manutenzione una spesa legata al periodo di esercizio di competenza

e viene quindi pianificata e messa in budget come spesa di esercizio.

Sotto il profilo amministrativo-fiscale la parte di spesa che eccede

la % di incidenza del costo di manutenzione rispetto al valore dei beni

ammortizzabili ammessa dal fisco, in relazione al settore merceologico

di appartenenza, è ammortizzabile negli esercizi successivi. Viceversa

grossi lavori di revisione, migliorie, riqualificazioni sono sempre

da classificare come investimenti, anche se effettuati dai tecnici del

Servizio Manutenzione che di fatto è un servizio polifunzionale”.

Fig. 1 - Sviluppo sostenibile

Può tracciare un bilancio dell’andamento 2012 riguardo

le aziende che si occupano di manutenzione industriale?

“Sotto il profilo economico è stato sfavorevole, perché un ridotto utilizzo

degli impianti, in alcuni casi importante, determina sempre l’esigenza

di rivedere tutte le spese e quindi anche quelle di manutenzione.

Negli ultimi anni con una buona ingegneria di manutenzione è possibile

selezionare gli interventi, separando il più possibile la parte cosiddetta

fissa, legata alla sicurezza e all’ambiente, da quella variabile più legata

alla disponibilità a breve degli impianti, conseguendo in periodi di

forte fluttuazione dei volumi produttivi, benefici economici non trascurabili

attraverso un efficace programmazione ed un opportuno riposizionamento

degli interventi. Naturalmente questa spending review,

deve basarsi su un’analisi dei rischi, che solo l’ingegneria della manutenzione

può fare in modo corretto e significativo. Quando mi chiedono

quali benefici può far conseguire l’ingegneria di manutenzione

rispondo che fa spendere meglio ed è solo cosi che, nel tempo, si

riesce a spendere meno. Non è poco, ma serve professionalità, che

raramente è in vendita, ogni azienda se la deve costruire”.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 51


Quali sono stati i temi principali del

congresso che hanno valore per il settore chimico?

“La manutenzione esprime i suoi maggiori benefici nel settore capital

intensive, cui appartiene anche la chimica e petrolchimica, che

devono curare molto sia il trinomio salute sicurezza, ambiente, sia la

continuità produttiva. Ebbene, analizzare in modo integrato i rischi di

business interruption e di incidenti, mediante idonee metodologie di

criticità e di cause effetto (Fmeca), consente di implementare piani

preventivi mirati, che sono molto efficaci nel ridurre fortemente i livelli

di rischio, anche dei processi produttivi più delicati. In secondo

luogo l’adozione su base sistematica della predittiva e della manutenzione

su condizione, mantiene a livelli elevati la disponibilità operativa,

generando valori aggiuntivi in termini di competitività. Le relazioni

presentate al congresso dagli ingegneri della General Electric,

Shell e Alliance, Pruftechnik, Noria, hanno dimostrato come la manutenzione

sia ormai molto avanzata nei metodi e nei sistemi, che in

modo integrato ed interfunzionale, anche da remoto, sono in grado

di ottenere prestazioni molto elevate impensabili qualche anno fa”.

Quali altre novità sono emerse dal congresso?

“L’Aiman negli ultimi anni ha lavorato molto per formalizzare la disciplina

manutenzione sul fronte nazionale ed internazionale. Nel 2011

e 2012 l’Uni ha emesso tre Norme Fondamentali cui l’Aiman ha

contribuito in modo rilevante, da tempo molto attese:

• La Uni 11414:2011 Sistema di Manutenzione

• La Uni11420 Qualifica del Personale di Manutenzione

• La Uni 11454 Manutenzione nella Progettazione

Queste norme stanno consentendo di razionalizzare molte aree, di

aprire nuovi filoni organizzativi, che i Manager e i Tecnici di manutenzione

sapranno sviluppare per generare valore aggiunto e fattori

di eccellenza rilevanti per esercire beni fisici in modo più competitivo

e più sostenibile”.

Fig.2 - Metodologia didattica di formazione

52 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Il settore della manutenzione si sta

occupando anche di risparmio energetico?

“Sì, dal momento che l’ingegneria di manutenzione cura gli impianti in

tutto il ciclo di vita, è logico ed efficace provvedere direttamente ai

piani di conservazione energetica. Non è solo un problema di consumo,

ma anche di razionalizzazione, poiché la manutenzione è l’unica

attività che ha a cuore la disponibilità operativa delle macchine e degli

impianti, possiamo fare misure, check up e bilanci energetici in tempo

reale. Possiamo implementare nuovi sistemi, dalla illuminotecnica agli

inverter, dai recuperatori ai sistemi Smart Grid. Pochi sono aperti al

miglioramento continuo e all’innovazione come i manutentori, da

sempre tecnici qualificati presenti in ogni fabbrica”.

Lei ha introdotto il tema della qualificazione

del personale di manutenzione, di che cosa si tratta?

“E’ un argomento fondamentale. Partendo dalla Uni 11420 abbiamo

predisposto un percorso di formazione per 4 posizioni tipiche della

struttura organizzativa, secondo i criteri dell’EQF dell’Europa (fig.2):

• Responsabile di Funzione e/o Servizio

• Supervisore dei Lavori

• Ingegnere di Manutenzione

• Specialista Operativo Preposto

Insieme all’AIAS Accademy (istituto di formazione dell’AIAS - Associazione

Professionale Italiana Ambiente Sicurezza), da gennaio

2013 inizieremo a effettuare Corsi di Formazione specifici, che prevedono

quanto di più aggiornato è disponibile nell’organizzazione e

gestione della manutenzione e nell’Area tecnico-normativa della sicurezza.

Sarà così possibile anche per i professionisti di manutenzione

ottenere la Qualificazione e successivamente la certificazione da Enti

Certificatori riconosciuti da Accredia”.

Lei è molto impegnato anche

a livello internazionale, quali le novità?

“Come Responsabile del Comitato CEN TC 319 Maintenance ho

creato un piano di sviluppo internazionale delle norme europee,

secondo le esigenze delle aziende. Oggi vi sono 9 gruppi di lavoro,

composti da esperti internazionali forniti dai vari Enti Nazionali normatori,

che studiano e preparano gli standard europei, e precisamente:

• Documentazione di manutenzione (AFNOR Spagna)

• Contratti di manutenzione (SVN Svizzera)

• Terminologia (AFNOR Francia)

• Key Performance Indicators (UNI Italia)

• Manutenzione degli edifici (UNI Italia)

• Maintenance Management (SIS Svezia)

• Qualificazione del Personale (SNV svizzera)

• Manutenzione nel Phisycal Asset Management (SFS Finlandia)

• Condition Assessement degli impianti (NEN Olanda)

In pochi anni forniremo una base comune europea di terminologia,

criteri e metodi che consentirà alla Manutenzione di effettuare un rilevante

salto culturale e di qualità e soprattutto ai servizi che sarà in

grado di erogare, in coerenza con la missione che Aiman persegue

dal 1959”.


I processi industriali

richiedono prodotti odotti tecnologici di massima assima affidabilità affidabilità e

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DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

L’applicazione della metodologia RCM

per la riduzione del Life Cycle Cost

di sistemi Oil&Gas

La metodologia RCM può dare un reale e concreto contributo all’ottimizzazione delle politiche

manutentive, sia da un punto di vista tecnico-operativo che economico; l’applicazione

di questo approccio agli impianti di processo, e in particolare a quelli del settore Oil&Gas,

rappresenta dunque un’opportunità reale per quelle aziende che intendono adottarla

54 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Per la “stabilizzazione”

dei benefici nel tempo,

con effetti positivi sull’intero

ciclo di vita di un

impianto, è necessario

che la Reliability Centered

Maintenance non sia limitata

a un progetto isolato,

ma che sia invece implementata

come processo

aziendale permanente,

con una struttura

organizzativa dedicata

di presidio, composta da

figure in grado di guidare

ed eseguire le scelte tecniche

più efficienti ed efficaci.

Le politiche di manutenzione

più avanzate,

la predittiva (PdM)

e quella basata sulle

condizioni (CBM), possono

essere configurate e definite

grazie a una puntuale

applicazione della RCM

alle scelte manutentive

associabili ai singoli item

più critici presenti in un

impianto con una conseguente

gestione ottimale

delle risorse tecnico-operative

e organizzative.


Analisi FMECA - RCM

La figura di seguito riportata (Figura 1) rappresenta il flusso della metodologia Reliability Centered Maintenance (RCM), con evidenziate le prin-

cipali informazioni che ad ogni step vengono elaborate. La metodologia presuppone l’individuazione iniziale di un gruppo di lavoro dedicato.

Preliminarmente all’avvio delle sessioni di analisi FMECA (Failure Mode and Effect Analysis) e RCM, sarà opportuno avere raccolto ed analizzato

la documentazione disponibile in Azienda, predisponendo i form di analisi e schedulando in maniera precisa l’agenda degli incontri con il

personale dell’Azienda presso la quale viene svolto il progetto, in modo da ridurre al minimo l’impatto sulle attività quotidiane.

Fig. 1 - Workflow della metodologia RCM (2012 © ABB)

a cura di ABB S.p.A. – Full Service & Global Consulting - Sesto San Giovanni

(Milano) - ABB.fullservice@it.abb.com e consulting.italy@it.abb.com

La metodologia proposta è di tipo integrato, essa presuppone che al termine della analisi FMECA avvenga l’applicazione del modulo decisionale

della RCM (Figura 2), grazie al quale saranno determinate le categorie di intervento manutentivo associate a ciascuno dei modi di guasto

che sono emersi per ogni macchina del progetto e che queste siano trattate adeguatamente attraverso opportuni criteri di aggregazione, che

tengano conto di tutte le condizioni di vincolo del sistema, andando così a determinare i piani di manutenzione ottimali.

La metodologia RCM è costituita dai seguenti moduli fodamentali:

• Scomposizione macchina

• Selezione dei dati RAM

• Failure Mode and Effect Analysis (FMEA)

• Criticality Analysis (CA)

• Maintenance Strategy Selection

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 55


DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Fig. 2 - Albero decisionale della RCM

Modellazione RAM: sulla base di quanto eseguito nelle precedenti fasi di analisi e dei riscontri ottenuti dalla raccolta di dati per ogni singolo

item, laddove si renda necessario valutare due o più proposte alternative di miglioramento, potrà essere realizzato un modello Reliability Block

Diagram (RBD) a livello di componenti derivanti dalla scomposizione, nel quale saranno rappresentate le relazioni semplici o complesse che

caratterizzano il funzionamento del sistema oggetto di tale approfondimento (serie, paralleli, stand-by semplici, stand-by con riserva, matrici,

etc.). Nella rappresentazione sono impiegate in generale regole di annidamento, grazie anche all’impiego di strumenti software avanzati, che

consentano di simulare il modello, non risolvibile per via matematica. Le prestazioni RAM saranno stimate indicando il livello di accuratezza

associato (standard deviation, test di Fisher, etc.). La validazione del modello sarà necessaria allo scopo di impiegarlo come efficace strumento

di previsione delle prestazioni affidabilità e disponibilità.

Fig. 3 - Processo metodologico integrato RCM - LCC

56 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


Reliability Centered Maintenance e Life Cycle Cost

E’ possibile rappresentare il processo complessivo ed integrato RCM e LCC, così come riportato nella figura seguente (Figura 3).

La Figura 3 riporta gli step fondamentali della metodologia RCM prima introdotti ed espressi tramite opportuni acronimi, con un focus differenziato

sul parametro Reliability (R) e su quello Availability (A) (MEL è l’acronimo di Master Equipment List e PP quello di Preliminary Prioritization).

L’obiettivo della RCM è quello di ottimizzare il quadro manutentivo complessivo, sia sotto il profilo delle prestazioni tecniche, che di quelle economiche.

Nell’ambito Oil&Gas, il parametro guida è quello della disponibilità dell’impianti di produzione, ciò in ragione degli elevati valori economici

(mancato fatturato) associati alle fermate; per tale motivo occorre privilegiare non soltanto l’aspetto affidabilistico, dei singoli componenti

e del loro insieme sintetizzato dal sistema, ma anche quello della manutenibilità delle singole apparecchiature che compongono un impianto,

così come del sistema-impianto nel suo complesso.

In un’ottica di Life Cycle Cost, le prestazioni affidabilità e manutenibilità devono poi essere valutate in maniera dinamica nel tempo tenendo

conto di tutti quei comportamenti time-dependent, che caratterizzano questi parametri.

Gestire le politiche manutentive attraverso un approccio sistematico e quantitativo come l’RCM permette di ottimizzare tutti i fattori che impattano

sulla manutenzione: le frequenze, le durate, il personale, i ricambi. Ad ognuno di questi fattori è associata una voce di costo per cui la loro

ottimizzazione si traduce in un risparmio, spesso di notevole entità.

In sintesi si può affermare che la corretta applicazione della metodologia RCM, integrata con un approccio LCC, consente di minimizzare nel

tempo il costo complessivo annuo di gestione CG (Figura 4), a parità di domanda produttiva:

Fig. 4 - Ottimizzazione del costo di gestione nel tempo

Dove, con riferimento alla Figura 4 si ha:

• CMP: costo di Manutenzione preventiva programmata o periodica

• i: indice dei guasti che avvengono su una particolare macchina o impianto

• CR-i: costo diretto di riparazione del guasto i-esimo

• CL-i:costo logistico

• CA-i: costo amministrativo

• CMPQ-i: costi di mancata produzione e/o di produzione scartata

• N-i: numero di volte nell’arco di un anno in cui si verifica il guasto i-esimo su un impianto o su una macchina, etc.

• FI-i: fattore immagine

Esiste una coerenza metodologica fra la capacità di una adeguata e ben dimensionata adozione della manutenzione predittiva e su condizione

e il raggiungimento dei livelli ottimali di costo, nel tempo; ogni anno, al variare nel tempo dei contributi che compaiono nella formula di Figura

4, occorre ridefinire i singoli punti di ottimo.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 57


DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Un fattore fondamentale da questo punto di vista è la definizione dei corretti intervalli di manutenzione. Questo permette di ottimizzare le fermate,

risultato automatico di una corretta applicazione dell’RCM. Fare manutenzione quando serve, se da un lato riduce le probabilità di rottura,

e quindi i relativi tempi di mancata produzione per fermate non programmate, dall’altra consente di armonizzare le manutenzioni su sistemi

complessi quali gli impianti Oil&Gas, il che assicura:

1. riduzione dei tempi di fermata per manutenzione programmata, incrementando di conseguenza la disponibilità degli impianti, vale a dire i

tempi di produzione

2. riduzione delle spese per il personale, dal momento che le squadre di manutentori possono essere impiegate in modo più razionale raggruppando

in maniera omogenea le attività

3. riduzione dei costi per materiali ed attrezzature, grazie ad una più efficace pianificazione.

L’RCM, attraverso il metodo di simulazione affidabilistica RBD, permette anche di ottimizzare il magazzino dei materiali di ricambio, sia da un

punto di vista dei materiali immobilizzati che del corretto flusso di materiali in base alle rotture previste ed alle attività programmate.

Fattore fondamentale per la riduzione del Life Cycle Cost è la ingegnerizzazione delle strategie di manutenzione, vale a dire la capacità di fare

la manutenzione che serve in funzione delle caratteristiche degli oggetti e del loro utilizzo, in termini di tempo e di stress.

Non sempre infatti la manutenzione preventiva è la soluzione migliore. In particolare l’utilizzo della strategia su condizione attraverso l’individuazione

di opportuni parametri di controllo, delle leggi di degrado e dei limiti di intervento, è una soluzione ancora poco utilizzata in campo

Oil&Gas, ma che permette risparmi importanti dal momento che elimina gli interventi evitabili o, al contrario, evita di incorrere nel rischio di rotture

e guasti inattesi e spesso per questo molto penalizzanti.

A questo riguardo, grazie alla maturità tecnologica degli ultimi dieci anni, i controlli possono essere continui, attraverso opportuni sistemi di

monitoraggio on-line, o discreti, fatti cioè periodicamente, nel qual caso bisogna però fissare in maniera ragionata tali intervalli per evitare che

l’intervallo tra un controllo ed il successivo sia maggiore del tempo caratteristico di degrado del parametro osservato. La fase dell’RCM denominata

MSS è deputata proprio a queste analisi ed è pertanto un momento decisivo per la riduzione del Life Cycle Cost.

Conclusioni

L’RCM permette in un unico processo di tenere sotto controllo molteplici fattori. Ogni fase è propedeutica alla successiva e tutte concorrono

alla progettazione di un piano di manutenzione in grado di assicurare completezza tecnica e assoluta sostenibilità economica dal momento che

affronta ed elimina ogni voce di spreco legata alla manutenzione.

I benefici che si possono ottenere dalla RCM integrata con un’impostazione LCC, sono fortemente dipendenti dal momento nel quale lo studio

viene avviato: fase di progettazione o fase di esercizio. Le applicazioni RCM al settore Oil&Gas consentono ai Clienti di recuperare anche il

10-15 % in termini di disponibilità, partendo da condizioni non particolarmente critiche; in ogni caso la metodologia può essere utile anche per

interventi di ottimizzazione vera e propria, lavorando sui recuperi marginali del 2-3% che però, applicati a macchine di produzione di grandi

dimensioni, corrispondono a benefici di notevole entità, soprattutto se prolungati nel tempo attraverso una adeguata revisione dinamica delle

politiche manutentive.

58 n. 9 - Nov./Dic. ‘12


DOSSIER

Una storia di eccellenza

che guarda al futuro

AUMA Italiana nasce nel 1976 come filiale del gruppo tedesco AUMA Riester GmbH

& Co. KG, che, dal 1964, progetta, costruisce e vende – in ogni parte del Mondo –

attuatori elettrici, unità di controllo e riduttori per qualsiasi tipo di valvola industriale

e organo di intercettazione e regolazione dei fluidi negli impianti di processo e pubblica

utilità.

La filiale italiana, con sede a Cerro Maggiore (Milano), opera

su tutto il territorio nazionale, collaborando in perfetta sinergia

con i principali costruttori di valvole industriali nazionali e

con le società d’ingegneria (EPC). A distanza di 36 anni dalla

fondazione, AUMA Italiana mantiene un ruolo leader nell’automazione

di processo, grazie a un’offerta completa e modulare

di attuatori e altri dispositivi altamente affidabili, progettati

e costruiti con metodologie di ricerca e con tecniche produttive

all’avanguardia. L’azienda è particolarmente attenta agli sviluppi

tecnologici in campo elettronico e meccanico e partecipa

attivamente alla stesura della normativa tecnica, a livello europeo

e internazionale.

AUMA Italiana è associata alle principali associazioni di categoria

dove suoi funzionari prestano la loro collaborazione ed

esperienza. Tra queste:

- AIS-ISA (Associazione Italiana Strumentisti)

- ANIMA-CONFINDUSTRIA (Federazione Italiana dell’Industria

Meccanica e Affine)

- ANIMP (Associazione Italiana Impiantistica)

- ASSOLOMBARDA

- ATI (Associazione Termotecnica Italiana)

- AVR (Associazione Italiana Costruttori di Valvole

e Rubinetteria)

- CTI (Comitato Termotecnico Italiano)

- GISI (Associazione Imprese Italiane di Strumentazione)

- PNI (Consorzio Italiano Profibus)

- SIG (Società Italiana Gallerie)

- UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione)

60 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

MANUTENZIONE & SICUREZZA

Sandro Bonomi consegna il Premio Anima a Teresa Rossetti

Wagner, Direttrice Finanziaria e Amministrativa AUMA

Stand AUMA presso il Convegno MCM

Photo by Yuri Vazzola


Nel corso della propria storia, numerosi sono stati i riconoscimenti ufficiali

che hanno attestato i successi dell’azienda nell’ambito della motorizzazione

di valvole industriali e organi di intercettazione in genere. In

particolare, nello scorso mese di ottobre si è tenuta l’assegnazione di

due importanti premi a livello associativo. Lo scorso 9 ottobre, in occasione

dell’Assemblea invernale dei Soci ANIMA-CONFINDUSTRIA,

AUMA Italiana ha ricevuto il Premio Fedeltà Associativa di ANIMA,

assegnato alle aziende che, associate da almeno vent’anni, hanno

svolto attività di esportazione per oltre il 50% della loro produzione e

che confermano un trend positivo nonostante la crisi internazionale.

Questo importante riconoscimento – consegnato dal Presidente

ANIMA Sandro Bonomi – è stato ritirato dalla Dott.ssa Teresa Rossetti

Wagner, Direttrice Finanziaria e Amministrativa, che lavora nell’azienda

fin dalla sua fondazione. Il 12 ottobre AUMA Italiana ha partecipato al

sessantesimo anniversario dalla fondazione di AVR, Associazione Italiana

Costruttori Valvole e Rubinetteria, federata ANIMA, festeggiato nella

suggestiva cornice di San Maurizio d’Opaglio. In occasione dell’evento

è stato assegnato un premio speciale all’amministratore delegato, con

la seguente motivazione: “A Maurizio Brancaleoni – Presidente di AVR

– ricercatore dinamico di innovazione e sviluppo, per la sua presenza

costante, l’impegno, la competenza, le spiccate doti comunicative, per

uno spirito associativo aperto e stimolante, un sincero grazie da AVR”.

L’eccellenza di AUMA Italiana, attestata da questi recenti riconoscimenti,

continua però a guardare al futuro, con nuove iniziative che mirano

a consolidare la sua posizione nei mercati di riferimento. Nonostante

la crisi attuale del settore – collegata principalmente all'assenza di

nuovi investimenti, soprattutto di natura pubblica – la società porta

avanti con convinzione la propria strategia di posizionamento, basata

innanzi tutto sulla qualità dei prodotti, sull’innovazione continua e su

un’assistenza puntuale pre e post-vendita. L’occasione per presentare

le ultime novità di prodotto di AUMA si è avuta recentemente alla sesta

edizione di MCM, la mostra Convegno della Manutenzione Industriale

MCM in programma il 24-25 ottobre 2012 a Veronafiere. L’azienda ha

partecipato come sponsor ed espositore, presentando all’interno del

proprio stand le più innovative soluzioni per la movimentazione di valvole

industriali, lanciate ufficialmente lo scorso giugno in occasione di

ACHEMA 2012 a Francoforte. Un altro importante appuntamento – che

ha visto la partecipazione di AUMA Italiana in qualità di Gold Sponsor –

è stato il 18° Convegno Animp della Sezione Componentistica d’Impianto,

che si è tenuto il 25 ottobre scorso presso il Grattacielo Pirelli a

Milano. L’evento è stato un’occasione – per le società di ingegneria e i

loro fornitori – per fare il punto sulle attività globali dell’industria petrolifera,

del gas, della chimica e petrolchimica e dell’energia, nonché sugli

sviluppi tecnologici di questi settori, che si trovano ad affrontare importanti

sfide di mercato. Gli interventi hanno messo in luce come lo sviluppo

di un efficace programma di filiera e la cura del cliente siano in

questo momento fondamentali per rafforzare le attività sinergiche dei

produttori Italiani ed europei. Solo attraverso la fornitura di prodotti e

servizi di elevata qualità e tecnologia sarà possibile sopravvivere alla

competizione internazionale e crescere nei mercati di sviluppo.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 61


DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Il circolo virtuoso:

sicurezza e massima affidabilità

del processo produttivo

Grazie a un’affidabile e performante soluzione per il controllo di processo, basata su Simatic

PCS 7 di Siemens, il nuovo impianto di produzione di fibre di cellulosa Longda garantisce

massima sicurezza di processo, costante qualità di prodotto e costi operativi ridotti

L’impianto chimico Longda è uno dei più grandi impianti di

produzione di fibre di cellulosa della Cina. Costruito nel

2008 sulle rive del fiume Yangtze per consentire la spedizione

e ricezione di merci in grande quantità, il nuovo impianto

è in grado di produrre 110.000 tonnellate di fibre di

viscosa chimica all’anno. Due linee sono già in funzionamento

mentre la terza è attualmente in fase di messa in servizio.

L’intero processo di produzione dell’impianto è controllato

da un sistema di controllo distribuito (DCS) basato

su Simatic PCS 7 di Siemens. Longda è rimasta colpita

dalla profonda esperienza nell’industria delle fibre artificiali

e sintetiche e dalle elevate performance dei prodotti di automazione

di Siemens. “Abbiamo usato i prodotti Siemens per anni e sono veramente affidabili. Siemens

ha davvero delle tecnologie e dei prodotti all’avanguardia”, ha dichiarato Lan Chingming, Vice General

Manager di Longda.

Un completo processo che funziona perfettamente

“Il processo di produzione su tecnica di eziolamento comprende 13

fasi, tutte controllate automaticamente dal sistema Simatic PCS 7”, ha

spiegato Lan. “All’inizio del processo la polpa di legno viene alcalinizzata,

poi convertita in una miscela mielosa con l’aggiunta di disolfuro

di carbonio. Questo passaggio ha bisogno di essere monitorato e

controllato con attenzione, poiché il disolfuro di carbonio, oltre a essere

una sostanza altamente infiammabile a un certo livello di temperatura,

può inficiare la qualità della fibra filata finale”. Proprio perché le

sostanze chimiche sono classificate come pericolose per la salute

umana e per l’ambiente, il controllo puntuale è essenziale per garantire

la massima sicurezza del processo. Inoltre il processo necessita di

motori e azionamenti efficienti per garantire il lineare svolgimento delle

operazioni di filtraggio, riscaldamento, raffreddamento e depurazione.

“La viscosa è un prodotto molto costoso, per questo si deve fare

molta attenzione durante il processo di produzione”, ha aggiunto Lan.

“La fibra deve sempre trovarsi al livello ottimale di maturità – e matura

velocemente – così che ogni partita abbia la stessa qualità. I sistemi

di automazione e l’equipaggiamento elettrico devono garantire la

massima affidabilità così da poter evitare gli alti costi di servizio e le

perdite di produzione. Con gli affermati prodotti Siemens, possiamo

62 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

ridurre sia i costi che i rischi grazie alla standardizzazione. Simatic PCS

7, il centro di controllo motore (MCC) e i posizionatori, per citarne alcuni,

assicurano un processo molto stabile”.

Automazione e monitoraggio d’eccellenza

Ogni fase del processo di produzione inizia, si conclude e viene controllata

automaticamente. L’elevato livello di automazione porta a

risparmi immediati: senza automazione un impianto di queste dimensioni

richiederebbe uno staff di 3.000 addetti. Grazie alla soluzione

Simatic PCS 7, l’impianto è entrato in funzione con l’ausilio di sole 600

persone. “In precedenza, il monitoraggio era eseguito direttamente

nella linea di produzione e il personale di sorveglianza si recava localmente

per registrare le informazioni ogni ora”, ha affermato Lan. Con il

sistema di controllo Simatic PCS 7, più di 8.000 punti di controllo vengono

registrati istantaneamente e spediti in sala di controllo. “Se la temperatura

supera i limiti del campo di applicazione, verrà segnalata nel

centro di controllo” – ha dichiarato – “in questo modo, possiamo identificare

i problemi e risolverli immediatamente.” Ogni giorno Longda fa

partire dai suoi moli 300 tonnellate di merci sul fiume Yangtze. Per

Longda l’obiettivo principale è l’affidabilità del processo di produzione

e il DCS di Siemens – Simatic PCS 7 – ha permesso di raggiungerlo.


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di risparmiare il 60% del tempo di montaggio rispetto al morsetto a vite

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grandi fornitrici di energia al mondo,

attiva a livello mondiale con 101.000

dipendenti in 90 paesi. L'amministrazione

centrale dell'azienda, che produce

quotidianamente 3,1 milioni

di barili di petrolio e gas, ha sede a

L'Aia. Shell Nederland Chemie B.v.,

filiale di Shell nei Paesi Bassi, è stata

fondata nel 1968 ed impiega attualmente

850 dipendenti. L'azienda

gestisce nella propria sede di Moerdijk,

vicino a Rotterdam, uno dei più

grandi impianti di produzione di

etene (etilene), ossido di etilene, etino

(acetilene) e butadiene in Europa.

64 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

60.000 morsetti sostituiti in soli quattro mesi

Nell'impianto di Moerdijk vengono raccolti 15.000 segnali di sensori/attuatori

attraverso le morsettiere - le cosiddette Junction box.

Tali segnali vengono poi elaborati in due sale di comando e una centrale

di controllo. Le sale di comando con morsetti componibili Phoenix

Contact avevano svolto la propria funzione in modo affidabile per un

periodo di 30 anni. Tuttavia, visti i requisiti sempre più elevati dal punto

di vista normativo, ambientale e di sicurezza e l'esigenza di una maggiore

velocità di processo, Shell ha dato vita ad un progetto di modernizzazione,

per cui erano necessari, tra l'altro, anche 60.000 morsetti

componibili. La sfida del progetto di modernizzazione consisteva nel

rinnovare l'intero impianto in un periodo di soli quattro mesi, mantenendolo

in esercizio: un'interruzione della produzione non era possibile

poichè il costo di un'eventuale arresto dell'impianto per un giorno

raggiunge facilmente un milione di euro.


Tutto senza manutenzione ma quale sistema di collegamento?

Per la modernizzazione dell'impianto erano disponibili inizialmente due soluzioni di morsetti componibili: da un lato il sistema di connessione

a vite, più comune nella tecnica di processo, e dall'altro il sistema a connessione rapida OT. Shell ha scelto il sistema di connessione rapido

OT di Phoenix Contact in grado di ridurre del 60% il tempo necessario al cablaggio rispetto alla classica tecnica di connessione a vite. Un

vantaggio di questa tecnica risiede nel fatto che è possibile evitare di isolare e crimpare i cavi da collegare. Il morsetto dispone di due stati di

collegamento e la connessione stabile ed adeguata è riconoscibile dal clic. In questo modo, il collegamento nel punto di connessione viene

realizzato a tenuta di gas. Come tutti i morsetti Phoenix Contact, anche la tecnica di connessione OT non necessita di alcuna manutenzione.

Ampie omologazioni e norme

Per Shell, un altro importante criterio per la modernizzazione dell'impianto era rappresentato dalla conformità agli standard. Anche in questo caso,

i morsetti QT soddisfano totalmente gli obiettivi prefissati. Omologazioni specifiche di settore come Ex e, Ex i a norma IEC/EN 60079-7/-11 e

omologazioni offshore IEC Ex come GL, NK o Bureau Veritas - sono determinanti per i morsetti QT. Naturalmente, essi soddisfano anche la

norma sui morsetti componibili IEC 60947-7-1/2.

Rapidamente e senza fermi

In totale è stato sostituito il cablaggio di 160 quadri elettrici - i cosiddetti

"Marshalling Cabinets". A tale scopo, a seconda dell'applicazione,

sono state montate morsettiere QT con morsetti componibili

passanti, a due e quattro piani, e morsetti con sezionatore a coltello.

Queste morsettiere sono state montate successivamente sopra

alle vecchie morsettiere già presenti mediante una staffa di sovrastruttura.

Successivamente ogni morsettiera è stata cablata in

modo ridondante. Infine, dopo la commutazione dell'impianto sulle

nuove morsettiere, la vecchia sottostruttura di morsetti a vite è stata

semplicemente rimossa. Grazie al sistema di connessione rapida

QT di Phoenix Contact anche ulteriori interventi di modernizzazione

e futuri ampliamenti dell'impianto potranno essere eseguiti in modo

rapido ed efficiente senza bisogno di isolamento né di crimpatura.

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 65


DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Strumentazione di processo

di ultima generazione

Il Gruppo Baumer produce e sviluppa sensori, encoder, strumenti di misura e sistemi

di visione. Combina tecnologia innovativa e servizio orientato al cliente in soluzioni

intelligenti per l´automazione industriale e di processo e offre una gamma

particolarmente ampia di prodotti e tecnologie correlati.

I settori industriali serviti con il portafoglio prodotti

della strumentazione di processo sono innumerevoli.

Industria dell’Oil & Gas (estrazione, trasporto

e raffinazione), Food & Beverage, Chimico e Farmaceutico,

Factory Automation, trasporto ferroviario,

industria navale e trattamento acque sono solo

alcuni dei settori industriali all’interno dei quali

Baumer vanta collaborazioni decennali con Clienti

leader mondiali nei loro specifici settori.

66 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Eccellenza innovativa

I prodotti, interamente sviluppati e costruiti in Europa, offrono

qualità elevata e affidabilità comprovata. Baumer si distingue

costantemente per l’innovazione tecnologica. Così anche nella

strumentazione di processo Baumer ha recentemente introdotto

la nuova famiglia CombiSeries. CombiPress e CombiTemp

sono strumenti che portano la funzionalità, la sicurezza e la flessibilità

di un processo ad altissimi livelli. Grazie al display CombiView,

la possibilità di visualizzare con chiarezza e precisione i

parametri di processo diviene impressionante.

Inoltre recentemente Baumer ha lanciato un’altra innovativa

famiglia di prodotti che ha rivoluzionato il concetto di misura di

livello. La serie CleveLevel offre infatti la possibilità di rilevare prodotti

liquidi, solidi e granulati ma anche prodotti elettrostatici con

una tecnologia innovativa che consente di evitare problematiche

tipiche di altre tecnologie fin oggi utilizzate, le quali rendevano il

controllo del processo scarsamente affidabile. Design igienico

(3A ed EHEDG) e certificazioni ATEX (G, D e G/D) completano

le caratteristiche di questi strumenti unici. Un altro fiore all’occhiello

della gamma Baumer Process Instrumentation è rappresentato

dai trasmettitori igienici della famiglia PBMH. Compatti,

precisi, affidabili, sono definiti “best in Class” grazie

all’ampio range di temperatura (-40…+200°C) su cui è offerto

fino allo 0,1% di TEB (Total Error Band).


Questi trasmettitori offrono all’industria Chimica-Farmaceutica e del Food & Beverage la soluzione ottimale

anche per la Clientela più esigente. Così come tutte le altre famiglie di trasmettitori di pressione

PBSN, PBCN, PBMN, CTX, sfruttando le tecnologie sviluppate all’interno dei competence center di

gruppo offrono le soluzioni ideali per le specifiche applicazioni in cui vengono utilizzati.

Un elemento storico della divisione Baumer Process Instrumentation è il manometro. Il manometro in

acciaio inox è tutt’oggi sviluppato e prodotto nel competence center dei prodotti meccanici situato a

Vendôme (Francia). Qui tutte le competenze e il know-how ereditato dall’inventore del tubo di misura

per manometri si trasforma quotidianamente in manometri robusti, precisi e affidabili, di qualità eccelsa.

A corredo del manometro, Baumer si è specializzata nella produzione di termometria, pressostati

termostati e accessori necessari per poter offrire un pacchetto completo ed esaustivo per soddisfare

la realizzazione di progetti importanti e complessi.

Ed è proprio dalla tradizione e dall’esperienza legata alla manometria che Baumer ha aperto un nuovo

capitolo nella storia della sua espansione internazionale. Il Gruppo Baumer ha esteso la sua presenza

mondiale con l’apertura della nuova filiale commerciale negli Emirati Arabi Uniti. Baumer Middle East

FZE proseguirà ed amplierà la decennale presenza di successo del marchio Bourdon. “Aprendo la filiale

di Dubai, proseguiamo con l’esperienza globale e la competenza della Bourdon-Haenni, che come

centro di competenza per gli strumenti di misura meccanici, fa parte del Gruppo Baumer fin dal 2005”,

afferma Rüdiger Förster, Presidente del Sales & Marketing di Baumer Group. “Affiancati da partner

locali selezionati, offriamo svariati servizi a valore aggiunto in differenti situazioni. I nostri Clienti, in particolare

nei settori industriali dell’O&G e del trattamento acque, sono agevolati grazie alla presenza

locale di contatti qualificati e competenti per tutti i prodotti e servizi del Gruppo”.

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DOSSIER

I polverimetri PCME sono disponibili in diverse configurazioni, dal

sensore “stand alone” LeakAlert73/75/80 ai sistemi “modbus” LeakLocate660

o Stack990 e sono tutti basati sull’ormai consolidato

principio di elettrificazione per induzione che è stato sviluppato da

PCME nel corso degli anni fino a ottenere analizzatori sensibilissimi

(0.01 mg/m3 ), veloci (misure in tempo reale), affidabili (massimi

livelli certificativi), ma anche facili da installare e che richiedono una

manutenzione estremamente semplice e ridotta nell’impegno.

Nella maggior parte dei filtri a maniche utilizzati in impianti di varia

tipologia e dimensione, dall’acciaieria o fonderia agli impianti che

trattano minerali (cemento, calce, gesso, ceramica, vetro) agli inceneritori

e numerosi altri, il filtro è composto da una serie di sacche

(maniche) costituite da un materiale filtrante inserito in una struttura

metallica portante organizzata in file.

La filtrazione comporta l’accumulo di sedimenti sulla superficie filtrante

che periodicamente vengono rimossi con un soffiaggio di

aria in retroflusso, energico e di durata relativamente breve.

68 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

MANUTENZIONE & SICUREZZA

Analisi polveri e controllo filtri

L’impiego dei polverimetri “elettrodinamici” PCME non solo per certificare

le emissioni al camino ma anche per gestire al meglio gli impianti di filtrazione.

Il motivo per cui un impianto che tratta o genera

materiali polverosi deve dotarsi di analizzatori

in continuo della concentrazione di polveri

emesse è il rispetto delle vigenti e sempre più

stringenti normative. Spesso si tratta di un investimento

obbligato che genera apprensione e

viene visto come un problema. Non è così per

moltissimi utenti che hanno scelto di installare i

polverimetri elettrodinamici dalla britannica

PCME, distribuiti da Ital Control Meters.

Per costoro la sorpresa positiva è sicuramente

stata la constatazione dopo l’avviamento di un

effettivo enorme valore aggiunto legato alla propria

scelta. Questi polverimetri, oltre a soddisfare

le richieste normative più recenti, inclusa la

certificazione EN14181/QAL1, qualora installati

in impianti provvisti di sistema di filtrazione,

garantiscono l’efficiente controllo del funzionamento

del filtro stesso, soprattutto negli

impianti con filtri a maniche, fornendo un preziosissimo

ausilio per la gestione del filtro e per

la corretta manutenzione delle maniche.

Questi cicli di pulizia riportano la manica al suo stato originale, liberandola

dai sedimenti prodotti dalla filtrazione e generano durante il

processo di pulizia una piccola scarica di particolato in uscita, un

“impulso” di polveri. Nei filtri le maniche sono solitamente montate

in file e vengono automaticamente pulite con soffiaggi periodici in

sequenza, pertanto installando a valle del filtro il polverimetro elettrodinamico

PCME è possibile monitorare ogni singolo impulso di

lavaggio, visualizzando e/o registrando il completo profilo di emissione

del filtro. Ampiezza e durata dell’impulso di polvere generato

dal lavaggio sono proporzionali all’efficienza della singola fila di

maniche interessate, quindi confrontando nel tempo il profilo di

emissione e relazionando i singoli impulsi con la corrispondente fila

di maniche è possibile individuare le maniche meno efficienti e intervenire

con una manutenzione mirata, sostituendo solo le maniche

che effettivamente hanno bisogno di ricambio. La localizzazione

delle perdite nel filtro può anche essere trasferita su PC mediante

seriale consentendo la gestione del filtro dalla sala controllo.


Leak Alert 73/75/80 - È uno strumento estremamente sensibile in grado di misurare

la concentrazione delle polveri mediante la rilevazione senza contatto della carica

elettrostatica naturale delle particelle. è apprezzato per la semplicità costruttiva: sonde

metalliche molto robuste e facili da installare, che non richiedono opere importanti da

eseguire sui camini e che meglio si adattano a installazioni spesso critiche. L’elettrodinamico

minimizza gli effetti negativi riscontrabili in altri sistemi a elettrificazione, come per

esempio i triboelettrici.

LeakLocate 660 - Il misuratore di concentrazione polveri elettrodinamico LEAK

LOCATE 660 Plus con unità di controllo multicanale è in grado di gestire fino a 32 canali

di misura. È un sistema studiato appositamente per rilevare una perdita di particolato solido

dai filtri. Come per i modelli 990 e 991, TUV si basa sul duplice vantaggio dell’esclusiva

tecnologia elettrodinamica e della connettività mediante bus di campo. È preferibile

per l’assenza di manutenzione non essendo virtualmente disturbato dalle incrostazioni.

Stack990 - È un misuratore di concentrazione delle polveri elettrodinamico. In grado

di rilevare concentrazioni molto basse < a 0,1 mg/m3 e con un tempo di risposta molto

rapido, la sonda è in grado di rilevare i cicli di pulizia del filtro a maniche, e segnalare quindi

eventuali rotture. L’esclusivo sistema per il controllo della contaminazione disponibile

solamente nella versione 250°C consente il monitoraggio dello stato di “sporcamento”

dell’isolatore. La versione STACK990 Plus con unità di controllo multicanale è in grado di

gestire fino a 32 canali di misura.

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DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Trasmettitori di pressione per

l’utilizzo in aree pericolose

Keller ha presentato recentemente una gamma completa di trasmettitori di pressione

per l’utilizzo in aree pericolose. I nuovi trasmettitori a sicurezza intrinseca offrono

intervalli di misurazione compresi tra 0,2 bar e 1.000 bar, cioè si possono utilizzare

per misurazioni in tutti i tipi di aree soggette a rischio esplosione di Gruppo II (gas),

e in conformità alla Direttiva ATEX qui inerente. I modelli specifici appartenenti

alla gamma di prodotti sono stati approvati rispettivamente anche per il

Gruppo I (estrazioni minerarie) e per il Gruppo II (polveri).

Le caratteristiche comuni a tutti i trasmettitori di pressione della linea Y

comprendono un errore di temperatura estremamente ridotto, al quale

corrisponde un’elevata precisione delle misurazioni. Grazie al sensore

di temperatura incorporato e a un circuito digitale supplementare, è

possibile suddividere l’intervallo delle temperature di funzionamento

previste in molteplici sottointervalli, fino a 120, di ampiezza pari a 1,5

Kelvin (K). Durante il processo di calibratura in fabbrica, per ciascuno

di questi sottointervalli si utilizza un modello matematico per calcolare

i valori specifici di compensazione per il punto zero del TK (coefficiente

di temperatura) e di amplificazione del TK; i valori vengono poi

memorizzati. Durante il funzionamento questi valori vengono inseriti nel

percorso del segnale analogico in funzione della temperatura, senza

ridurre la dinamica di elaborazione del segnale di 2 kHz. Di conseguenza,

nel tipico arco di variazione della temperatura da -10°C a

+80°C è possibile ottenere una fascia di errore totale corrispondente

70 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

pari a ±0,8% FS. Questo valore comprende tutte le fonti di errore, dalla

linearità alla tolleranza dell’intervallo. Una caratteristica aggiuntiva è

data dal fatto che i trasmettitori di pressione della linea X di Keller (Serie

30) offrono un calcolo di valutazione elettronico, basato su micro-controllori,

allo scopo di assicurare la massima precisione. Ogni trasmettitore

è calibrato lungo l’intero campo di variazione della pressione e

della temperatura. Questi dati di misurazione sono utilizzati per elaborare

un modello matematico che permette la correzione di tutti gli errori

riproducibili. Keller può garantire un’elevata precisione, grazie a

un’ampiezza della fascia di errore compresa entro il campo di variazione

della pressione e della temperatura, il quale è interamente compensato.

All’acquisto, l’utilizzatore dei trasmettitori industriali può indicare

una scelta specifica del campo di temperatura compensato, a seconda

della rispettiva applicazione. In alternativa, i trasmettitori di livello

sono dotati normalmente di un campo compensato pari a 0/50°C.

Il valore della pressione calcolato può essere prelevato attraverso l’interfaccia

e viene elaborato, simultaneamente, come segnale analogico.

In corrispondenza dell’uscita digitale, la fascia di errore tra 10/40°C

corrisponde a un massimo di ±0,05 % dell’intero campo di variazione.

L’ssortimento di progetti strutturali, di formati per segnali elettrici e connessioni

meccaniche garantisce che questi trasmettitori di pressione a

sicurezza intrinseca si possano impiegare per una grande varietà di

applicazioni. La gamma comprende modelli con guarnizioni di sigillatura

interne e versioni interamente saldate e con membrana affacciata

sigillata frontalmente, che misurano la pressione in valori assoluti o

barometrici o relativamente alla pressione atmosferica. Per gli attacchi

di collegamento della pressione sono disponibili vari tipi di filettature e

per i collegamenti elettrici si possono usare differenti tipi di spinotti e di

cavi. Gli utilizzatori possono anche scegliere tra i tipici segnali di misurazione

industriale con tecnologia a 3 cavi (0…5 V / 0…10 V) o con

tecnologia a 2 cavi (4…20 mA); sui trasmettitori di pressione ad alta

precisione e sui sensori a immersione della Serie 30, è disponibile

anche un’interfaccia RS485 supplementare.


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DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Innovazione nei sistemi di sicurezza

per applicazioni di processo

Emerson Process Management ha recentemente proposto al mercato tre nuove

tecnologie al fine di ridurre la complessità nella gestione della sicurezza dei siti produttivi.

Le aziende di processo devono affrontare nuove sfide causate dalla continua perdita di competenze e di personale

esperto che, una volta ritiratosi dal lavoro, è sovente sostituito da nuove persone poco esperte che hanno la

necessità di essere coadiuvate da una tecnologia evoluta. Emerson Process Management ha risposto a queste esigenze

riducendo I'hardware e le necessità di design richieste per effettuare uno startup rapido ed efficace, introducendo

la tecnologia di protezione delle macchine critiche e incrementando la diagnostica e affidabilità degli

elementi di controllo finale.

Le tre nuove tecnologie proposte da Emerson Process Management riguardano:

- iI sistema di controllo DeltaV SIS con tecnologia CHARM I/O approvata TÜV;

- iI sistema di protezione da sovravelocità CSI 6300 certificato TÜV;

- iI posizionatore di valvoladigitale DVC 6200 SIS certificato TÜV

Queste nuove tecnologie sono un ulteriore passo avanti di Emerson

Process Management nel miglioramento continuo delle prestazioni di

sicurezza dei propri clienti, con un approccio che copre tutti i loop dei

sistemi di sicurezza. II sistema DeltaV SIS include Ie due comprovate

tecnologie del DeltaV Logic Solver e DeltaV CHARM I/O, introdotte nel

2009. II risultato è una facilitazione del design dei sistemi di sicurezza,

una semplificazione dell'esecuzione dei progetti e una maggiore flessibilità

nell'ingegneria. II sistema CSI 6300 è stato ideato per proteggere

le apparecchiature rotanti critiche, tipicamente pompe, compressori

o turbine, da eventuali condizioni di avviamento improprie o da

sovravelocità. La soluzione rileva la velocità rotazionale dell'apparecchiatura

e agisce per bloccarla quando essa raggiunge il livello limite

di sicurezza. Questa tecnologia permette di evitare danni o rischi per

il personale operativo che si potrebbero verificare quando, ad esempio,

i carichi di lavoro variano repentinamente.

72 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

II sistema CSI 6300 è in grado di rilevare se la direzione di rotazione

non è corretta: una condizione che può verificarsi durante gli avviamenti.

A oggi, è I'unico prodotto disponibile a essere conforme ai più

recenti standard industriali. II posizionatore per valvola DVC6200 SIS

estende I'utilizzo della comprovata tecnologia dei controllori Fisher®

DVC ai loop di sicurezza. II nuovo modulo è stato certificato nella sua

totalità dal TÜV per applicazioni di sicurezza. II DVC6200 è dotato di

diagnostica che è in grado di rilevare durante il funzionamento un'elevata

percentuale di guasti potenziali. Grazie a un test di dislocamento

parziale, è in grado di determinare se la valvola è bloccata in apertura,

ha una coppia inadeguata, è troppo lenta, ha un attrito troppo elevato

oppure se lo stelo è danneggiato. Determinando lo stato di salute

dell'apparecchiatura sulla base di analisi periodiche, il posizionatore

permette di effettuare la manutenzione dell'elemento di controllo

finale sulla base di azioni prioritizzate.


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aria mediante mediante condotti condottti

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Contratti Contratti di manutenzione maanutenzione

programmata

programmata

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DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

Soluzioni di tenuta

ad alto contenuto tecnologico

Il Gruppo Trelleborg è una multinazionale i cui punti di forza si fondano su una tecnologia

avanzata nel campo dei polimeri e su un profondo know-how applicativo.

Il Gruppo comprende 4 aree di business:

Trelleborg Engineered Systems, Trelleborg

Automotive, Trelleborg Wheel Systems e

Trelleborg Sealing Solutions (TSS). La divisione

Sealing Solutions, attraverso la filiale commerciale

italiana, TSS Italia, che ha sede a Livorno,

commercializza su tutto il territorio nazionale

soluzioni di tenuta provenienti dai vari stabilimenti

produttivi che il Gruppo annovera nel

mondo. In Italia TSS ne conta 3: a Torino vengono

prodotte le tenute rotanti, a Livorno è

situato l’impianto di sintesi del poliuretano e

la relativa produzione di tenute oleodinamiche,

a Modena le tenute meccaniche frontali.

Il modello di business di TSS prevede una filiale di riferimento (Marketing

Company) in tutte le maggiori nazioni e nel caso dell’Italia la

sede commerciale e operativa è a Livorno. La Marketing Company

Italia può contare su una struttura costituita da un Ufficio Commerciale

per il supporto alle vendite, Area Manager dislocati su tutto il

territorio per raccogliere le esigenze dei vari clienti, un Ufficio Tecnico

e Qualità composto da ingegneri in grado di fornire consulenza

tecnica nei diversi settori applicativi, oltre al nuovo e moderno sistema

di logistica integrata con sede a Stoccarda, in grado di fornire

74 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

servizi di valore aggiunto, quali “special handling” e “packaging ad

hoc”. TSS è in grado di proporre soluzioni di tenuta per qualsiasi

tipo di applicazione industriale, forte anche di marchi storici e noti

sul mercato mondiale; dispone di prodotti e materiali esclusivi e il

più ampio catalogo in grado di rispondere alle più disparate necessità

applicative: guarnizioni in gomma, gomma-tela, poliuretano e

PTFE, tenute frontali, tenute piane, clamp seals e membrane.

Gli stabilimenti Trelleborg sono specializzati nella produzione di

soluzioni di tenuta, sia standard sia a specifica del cliente, utilizzando

materiali polimerici proprietari, quindi formulati, prodotti e testati

all’interno dei reparti R&D: tra i più noti sul mercato i marchi Turcon

® , Zurcon ® , Orkot ® , Turcite ® , HiMod ® e Isolast ® .

Uno dei punti di forza di Trelleborg è la capacità di fornire soluzioni

ad alto contenuto tecnologico, in funzione delle specifiche applicazioni

dei clienti; TSS Italia sviluppa molti prodotti in co-design con i

clienti per le applicazioni più specifiche e di nicchia e si avvale di un

team di 4 ingegneri che, a stretto contatto con l’U.T. e l’R&D dei

nostri clienti, studia e sviluppa soluzioni di tenuta aderenti alle specifiche

richieste dai progetti.

Oggi non è più sufficiente offrire un buon prodotto e Trelleborg propone

un servizio volto a fornire al cliente una soluzione.


I segmenti del mercato italiano cui si rivolge TSS Italia sono molteplici:

dallo storico settore dell’oleodinamica (costruttori di macchine

agricole e movimento terra, fluid power, quindi costruttori di

cilindri, motori, pompe idrauliche e della relativa componentistica)

ai costruttori di macchine utensili e presse industriali. Particolare

focus è dedicato ai mercati dell’Oil&Gas, Food&Beverage e Chemical&Processing,

nel quale il Gruppo ha investito e continua a

investire per fornire prodotti e tecnologie sempre all’avanguardia.

I principali clienti finali nell’industria di processo sono essenzialmente

aziende e grandi gruppi multinazionali dell’industria di packaging,

imbottigliamento e macchine alimentari, oltre a importanti

costruttori di valvole e attuatori per il settore chimico e petrolchimico,

con i quali è stato instaurato un rapporto di partnership tecnica

e commerciale, volta a soddisfare le specifiche richieste di questo

settore che per TSS Italia rappresenta una costante sfida tecnologica.

In qualità di fornitore di costruttori di macchine e apparecchiature

di processo TSS è direttamente coinvolta nella progettazione

e sempre più in un contesto attivo di co-design: con la sua

vasta gamma di prodotti e materiali, opera insieme al cliente nella

definizione della migliore soluzione di tenuta per ogni specifica

applicazione, partendo dalla proposta iniziale per passare alla pianificazione

dei test funzionalità e durata, e arrivare infine all’omologazione

della soluzione.

La costante crescita nei settori strategici dell’Oil&Gas e dell’industria

di processo rappresenta la sfida che TSS Italia intende portare

avanti nei prossimi mesi, forte del proprio know-how tecnico e

della vocazione industriale del Gruppo che da sempre investe in

progetti di innovazione e Ricerca & Sviluppo.

Per la criticità delle applicazioni di tali settori e per legislazioni sempre

più stringenti in campo di salvaguardia dell’ambiente e della

salute, assistiamo a una sempre più pressante necessità di materiali

testati e omologati secondo le più recenti normative, fra cui

ricordiamo la 3-A ® Sanitary Standard, la EC Regulation

1935/2004, le norme FDA, USP 87, USP 88, per il campo alimentare

e farmaceutico, mentre per il settore Oil&Gas la NORSOK

Standard M-710. Trelleborg Sealing Solutions da tempo ha recepito

questa necessità e ha sviluppato un’ampia gamma di materiali

in accordo a tali norme, ma al tempo stesso ha studiato nuovi

design delle tenute, in grado anche di sopportare le condizioni

operative più gravose, in termini di pressione, temperatura, fluidi di

contatto, velocità sia lineari sia di rotazione.

Tra i materiali proprietari di TSS, vi sono i perfluoroelastomeri Isolast

® , disponibili in vari formati e “grade”, specialmente per applicazioni

con alte temperature e/o agenti esterni aggressivi; sono

polimeri elastomerici altamente performanti in termini di resistenza

ad alta temperatura e agli agenti chimici. Per esempio, il “grade”

J8325 è idoneo per applicazioni con temperatura continua fino a

325 °C; il grade più standard J9503 invece offre la più elevata inerzia

chimica, garantendo compatibilità con i fluidi più aggressivi

quali acidi forti, alcali, ammine, solventi o chetoni. Sono mescole

utilizzate per lo più per tenute O-Ring, poiché si possono realizzare

in Isolast ® un’ampia gamma di prodotti a disegno in base ai

requisiti del cliente. I segmenti di mercato che più fanno uso delle

mescole Isolast ® sono l’Oil&Gas e CPI (Chemical Processing

Industry) e il Food&Beverage. Per questi settori TSS può, infatti,

offrire un’ampia gamma di mescole specifiche, come per esempio

Isolast® XploR J9513 per l’Oil&Gas, resistente alla decompressione

esplosiva, oppure i “grade” Food&Pharma J9515 e J9516,

entrambe certificate in accordo alle più restrittive normative internazionali

nel settore alimentare (FDA, USP class VI).

n. 9 - Nov./Dic. ‘12 75


DOSSIER

Con riferimento alla direttiva Atex 94/9/CE, entrata in vigore il 1

Luglio 2003, Sensitron ha proweduto a certificare Atex tutti i rivelatori

gas destinati a essere utilizzati in atmosfere potenzialmente

esplosive, fin dal dicembre 2001.

In tal senso Sensitron è stato il primo fabbricante italiano di rivelatori

di gas ad aver ottenuto i seguenti certificati:

- CESI 01 ATEX 086Q Qualità e sorveglianza sulla produzione;

- CESI 01 ATEX 053 Requisiti elettrici di sicurezza (IEC 60079-0-1);

- CESI 03 ATEX 339 Requisiti elettrici di sicurezza (IEC 60079-15);

- CESI 02 ATEX 084 Prestazioni (IEC 60079-29-1).

Quest'ultimo certificato riguarda le prestazioni dei rivelatori e garantisce

non solo la qualità, ma anche le elevate caratteristiche che un

rivelatore gas deve possedere.

Sensitron è certificata ISO 9001 dal Febbraio 1997 e ha ottenuto nel

2002 la certificazione ISO 9001 : 2000. Questa certificazione e l'ottemperanza

degli standard europei sono considerati dal management

e da tutti i dipendenti il punto di partenza per garantire al Cliente

una qualità dei prodotti e dei servizi costante nel tempo.

La particolare attenzione alle normative Europee non ha distolto

Sensitron. dall'impegnarsi sui mercati orientali. Il risultato del nostro

dinamismo è stata la creazione di un ufficio di rappresentanza in

Pechino e l'ottenimento delle certificazioni cinesi, CSTS e CEC

76 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

MANUTENZIONE & SICUREZZA

Sistemi di rilevazione gas

Nata con la mission di diventare un punto di riferimento internazionale Sensitron

da anni è impegnata nella ricerca e sviluppo di tecnologie avanzate nella rivelazione

dei gas infiammabili e tossici. La realizzazione di sensori sempre più affidabili,

l'uso sistematico della tecnologia a microprocessore, la conformità alle norme

europee e le rigide procedure di qualità adottate sono garanzia di una gamma

completa e affodabile di prodotti.

rispettivamente per le prestazioni e la sicurezza elettrica. All’interno

della sua vasta offerta di prodotti Sensitron propone alcune soluzioni

innovative. Da anni l’azienda progetta sistemi di rivelazione

gas per autorimesse e parcheggi, dove ha conquistato una considerevole

posizione nel mercato. Spicca in questo ambito il sistema

Sensitron Park System della gamma Building & Parking, in conformità

con lo standard europeo En 50545-1.

Nel 2010, con l’obiettivo di fornire un sistema di totale affidabilitò,

Sensitron ha lanciato sul mercato una nuova gamma di rivelatori

centrali certificati. Il sistema si compone delle centrali Galileo/Multiscan

(Sil3) e dei rivelatori della serie Smart S (Sil2/3),

entrambi certificati dal TUV Sd. I rivelatori di gas della serie Smart

S sono certificati SIL 2(3) e ATex e studiati per soddisfare i restrittivi

requisiti delle applicazioni nei settori oil&gas, chimico, petrolchimico

e ovunque il concetto di Safety Integrity Level sia una prerogativa

fondamentale.

Si tratta di una famiglia di rivelatori flessibili nell’adattarsi a ogni esigenza,

che offrono la nuova tecnologia ibrida basata sull’adozione

di un sensore IR+Pell. Sono certificati secondo le norme EN 50402

e IEC 61508 (parti da 1 a 7).

Per un completo sistema di rilevazione certificato Sil 2(3) l’azienda

propone la linea Premium, composta dai rivelatori della serie Smart


S e dalle centrali Galileo. Queste ultime, grazuie alla

completa ridondanza hardware e allo specifico software

di diagnostica sono certificate SIL3, secondo gli

standard En 50402 e IEC 61508 parti da 1 a 7. Disponibili

in diversi formati, controllano da 8 a 256

canali. Per le applicazioni per le quali è richiesta una

compatibilità SIL meno stringente, Sensitron propone

la centrale Multiscn++S2, certificata SIL2. Tutte le

centrali sono certificate ATex, secondo le En 60079-

29-1. Infine, è indicata e appositamente studiata per

le applicazioni Industrial la linea Smart 3G, una

gamma affermata e molto conosciuta di rivelatori di

gas tossici ed esplosivi. I rivelatori della serie SMart3G

fanno uso della tecnologia di rivelazione basata su

Pellistore, Infrarosso e cella elettrochimica. Tutta la

serie è certificata Atex e Sil2HW. Il sistema è completato

dalle centrali PL4+, Sentox Idi+ e Multiscan++A1,

tutte certificate Atex, secondo le En 60079-29-1.


DOSSIER MANUTENZIONE & SICUREZZA

All’interno della gamma prodotti relativa a misurazione e calibratura, Ecom Instruments propone anche il multimetro digitale Fluke 28 II

Ex a sicurezza intrinseca. Sicuro e robusto Il multimetro 28 II Ex è dotato delle principali certificazioni ATEX per l‘uso in ambienti a rischio di

esplosione ed è resistente a cadute fino a 3 metri di altezza. In più, il guscio completamente impermeabile e resistente alla polvere (IP67)

rende il multimetro digitale 28 II Ex idoneo all‘uso in ambienti particolarmente difficili. Dotato di guscio completamente stagno

(IP67Estremamente robusto, è impermeabile all‘acqua, a prova di polvere e conforme allo standard IEC sulla sicurezza elettrica contro le

sovratensioni EN 61010-1:2001: CAT III 1000V e CAT IV 600V. È facile da usare grazie alla tastiera retroilluminata per la massima visibilità

in aree poco luminose, al display a grandi cifre e 2 livelli di retroilluminazione e alla batteria a lunga durata (circa 400 ore, senza retroilluminazione).

La soluzione compatta e sicura consente l‘uso di un solo strumentro digitale per misurazioni sicure sia all‘interno che all‘esterno

di aree a rischio di esplosione (max. 10A / 1000V). Un vano batteria separato facilita la sostituzione di batterie e

fusibili. È resistente alla polvere, impermeabile (IP67), ed è adatto a misurazioni fino a 1000V / 10A (fuori di aree

a rischio di esplosione). Consente il rilevamento di valori minimi/massimi/medi e di picco ed è dotato di filtro

passa-basso per misurazioni esatte di motori a velocità variabile, allarme d‘ingresso e display da 4½” (20.000

conteggi) con retroilluminazione. Oltre a realizzare strumenti per la misurazione e calibratura, Ecom propone

anche una linea di torce, robuste, leggere e sicure. Realizzate con corpo in metallo o plastica, con la tecnologia

LED o alogena, tutti i materiali e componenti sono selezionati con cura per raggiungere il massimo in termine di

prestazioni. All’interno della gamma vi è il modello SHL 350-Ex, un robusto faretto manuale con tecnologia LED

per l‘impiego in ambienti industriali o in dotazione ai vigili del fuoco per l‘impiego in ambienti a rischio di esplosione

in zone 0 e 1, ovvero 20 e 21 secondo la direttiva 1999/92/CE (ATEX 137). Con il faretto manuale SHL

350-Ex, di nuovo sviluppo rispetto al modello SHL 300-Ex, si sono potenziate importanti funzioni come ad es.

l‘autonomia della batteria ricaricabile e l‘elevata intensità luminosa. Il design del faretto SHL 350-Ex riunisce ergonomia

e funzionamento - tutti i pulsanti e le indicazioni sono concentrate in un settore e possono essere gestite

con una sola mano. L‘utilizzo di tre potenti LED high-power da 3 Watt di nuovissima generazione ha non solo

potenziato al massimo la luminosità del faretto manuale, ma ha altresì consentito di raggiungere una sicurezza di

esercizio particolarmente elevata. Da un lato i LED hanno una durata utile di circa 50.000 ore, dall‘altro il coman-

Multimetro 28 II Ex

do intelligente del dispositivo è in grado di garantire un‘elevata intensità luminosa anche in caso di LED guasto.

78 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Gli apparecchi per ambienti

a rischio di esplosione devono

soddisfare determinati

requisiti: Ecom Instruments

è attiva da oltre 20 anni in

questo settore ed ha acquisito

un notevole know-how nelle

tecnologie per la prevenzione

delle esplosioni negli impianti

industriali. Ecom instruments

produce apparecchiature

da utilizzare nei settori

“oil & gas”, nonché nelle

industrie chimiche, petrolchimiche,

estrattive, farmaceutiche,

energetiche e ambientali.

Lavorare in sicurezza


L‘indicatore di capacità della batteria a compensazione termica rappresenta

una novità in grado di fornire informazioni esatte con qualunque

temperatura d‘impiego. In sede di sviluppo e progettazione si

sono osservati i requisiti di cui alla norma sulle attrezzature per vigili del

fuoco (DIN 14642) relativi ai faretti manuali antidefl agranti. SHL 350-

Ex è pertanto perfettamente adatto per interventi dei vigili del fuoco.

Naturalmente si è pensato altresì ad integrare funzioni come luce

d‘emergenza e luce lampeggiante. I diffusori e vetri a colori opzionali

sono collocati a portata di mano direttamente sotto la testa luminosa

orientabile. La stazione di ricarica è stata conseguentemente realizzata

all‘insegna di un uso facile e di un funzionamento con una mano,

tant‘è che l‘ SHL 350-Ex si lascia posizionare nella stazione di ricarica

in modo sicuro e corretto indipendentemente dalla direzione.

Il faretto manuale rimane saldamente in posizione nella stazione di

ricarica e consentirebbe in teoria perfi no un montaggio in quota.

Le stazioni di ricarica sono disponibili sia con alimentazione di rete sia

con gruppo di alimentazione per veicoli. In tutte le stazioni di ricarica

della serie LG-300 è possibile caricare sia il modello precedente SHL

300-Ex sia i nuovi faretti SHL 350-Ex. Tra gli accessori disponibili: filtri

diffusori, stazione di ricarica con alimentazione a rete, stazione di ricarica

con alimentazione per auto.

ALT

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ECOLOGICO ED ECONOMICO

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L’acqua dispersa in fase di trascinamento nei processi di

raffreddamento evaporativo rappresenta un costo in termini sanitari,

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il rendimento se necessario

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Funzionamento DRICONPLUS

I separatori sono modulari e possono essere

assemblati fi no all’ottenimento dell’effi cienza

ottimale.

Le gocce d’acqua trascinate dal fl usso

dell’aria vengono trattenute dalle apposite

alette, si uniscono, e cadono verso il basso

per effetto del maggior peso raggiunto.


meeting & exhibitions

EVENTI

ANIMP - MCM

ANIMP: LA FILIERA IMPIANTISTICA A CONVEGNO

Il valore degli appalti e le attività della supply chain sono due elementi

chiave delle sfide che coinvolgono il settore chimico e non solo.

Le pressioni sui costi stanno costringendo i contractor e gli end-user

a ottimizzare le loro operazioni strategiche, il rapporto cliente/fornitore

è diventato fondamentale e le attività di procurement globale sono in

cima alle agende di tutte le aziende del settore. Da queste premesse

nasce il Convegno Animp della Sezione Componentistica d’Impianto,

che si pone come un momento di dialogo approfondito tra le imprese

che fanno parte della filiera impiantistica. L’obiettivo dell’evento è quello

di portare avanti una discussione sulle strategie globali e industriali,

e l’edizione di quest’anno è stata particolarmente interessante e

importante, perché per la prima volta ha portato al tavolo di discussione

le delegazioni di alcune associazioni europee coinvolte nella filiera

di fornitura di beni e servizi all’industria del settore. Come hanno sottolineato

Nello Uccelletti, Presidente Animp, e Marco Pepori, Vicepresidente

dell’Associazione nazionale di impiantistica industriale e Delegato

Sezione Componentistica: “Anche quest’anno il Convegno si

propone, dopo il successo delle passate edizioni, come punto di riferimento

per studiare strategie innovative di procurement, nonché gli

sviluppi tecnologici nel settore. Infatti il Convegno Animp della Sezione

Componentistica d’Impianto è ormai percepito come un momento di

dialogo tra le imprese che compongono l’intera filiera dell’impiantistica,

finalizzato alla discussione di strategie globali e industriali.

Quest’anno i leader tra i contractor e gli end-user hanno presentato gli

scenari di sviluppo dei mercati, i più significativi case study in materia

di procurement collaborativo e illustrato le condizioni contrattuali

(T&Cs) del Customer / Supplier Relationship Management”. Parte fondamentale

dell’evento è sicuramente lo sviluppo di relazione industriali:

è per questo motivo che il Convegno è organizzato per offrire la cornice

ideale per incontrare i colleghi del settore e costruire relazioni stra-

80 n. 9 - Nov./Dic. ‘12

Il 25 ottobre si è tenuta la 18 a edizione del Convegno Animp della Sezione Componentistica

d’Impianto. Un appuntamento imperdibile per i protagonisti dell’industria petrolifera,

del gas, della chimica e petrolchimica, e dell’energia globale, che si sono riuniti

per riflettere e discutere delle importanti sfide future che li attendono

tegiche di business. Animp costituisce un punto di incontro e dialogo

tra le aziende che operano nel comparto dell’impiantistica e il mondo

accademico e le società che oggi ne fanno parte rappresentano

ampiamente questo settore industriale, che comprende general contractor,

fornitori di servizi di ingegneria, end-user, aziende fornitrici di

apparecchiature e di componenti, legati fra di loro dal comune mestiere

di progettare e costruire impianti industriali e complessi sistemi di

produzione e infrastrutture in Italia e all’estero. Il convegno si è aperto,

dopo i saluti ufficiali, con l’intervento “Le condizioni contrattuali (T&Cs)”

a cura di Daniele Andreini e Roberto Nava di Bain & Co. E’ seguita poi

una tavola rotonda di discussione con Caterina De Mattia, attorney

Flowserve, Francesco G. Misuraca, vice presidente ricerca, sviluppo

tecnologico e progetti / project implementation Eni Refining & Marketing,

Marcello Paglialunga, procurement manager & TPIT project procurement

activity coordinator di Technip Italy, Roberto Rentocchini,

vice president industrial risk management Eni, Luca Maria Rossi, direttore

commerciale turbomachinery GE Oil&Gas Nuovo Pignone e Leonardo

Tartara, procurement manager Saipem. Hanno partecipato al

dibattito anche rappresentanti di Importanti aziende del settore come

Maire Tecnimont & Tecnimont, Foster Wheeler Italiana e Ansaldo Energia.

Nel pomeriggio il convegno è continuato con un intervento su

“R&D CITEPH Program: il sistema innovativo francese per il finanziamento

della ricerca” a cura di Philippe Perreau, director, technologies

innovations projects and director of R&D CITEPH Program, GEP-

AFTP e Georges Mosditchian, Europe and Central Asia manager di

GEP-AFTP. Si è poi discusso delle previsioni di mercato per il 2013 nei

settori oil&gas, petrolchimico, raffinazione ed energia, delle nuove opportunità

che offrono le tendenze e i mercati nel settore oil&gas, delle

prospettive della petrolchimica, di progetti ambientali, della cultura

industriale italiana e delle prospettive dell’industria energetica.


FOCUS SULLA

MANUTENZIONE

Si è chiusa con ottimi risultati la sesta edizione

di MCM Mostra Convegno della Manutenzione

Industriale e Asset Management, organizzata

da EIOM Ente Italiano Organizzazione Mostre,

che ha avuto luogo a Verona il 24 e 25 ottobre

La mostra ha aperto le porte a oltre 6.300

professionisti del settore, un target altamente

qualificato di tecnici, responsabili manutenzione,

asset manager, responsabili impianti e operations, progettisti,

manutentori e strumentisti. Le aziende coinvolte sono rimaste soddisfatte

dai risultati ottenuti nelle due vivaci giornate e dal format dell’evento,

che ha favorito lo sviluppo di nuove sinergie grazie agli

appuntamenti in programma in contemporanea, quali VPC (valvole,

pompe, compressori, componentistica), SAVE (automazione e strumentazione

industriale) e ACQUARIA (trattamento e tecnologie acqua

e aria). Importante è stato anche il ruolo e il contributo delle principali

associazioni di categoria – come A.I.MAN. (Associazione Italiana

Manutenzione), ANIMAC (Associazione Nazionale Installatori e Manutentori

Aria Compressa), ANIPLA (Associazione Nazionale per l’Automazione),

AIAS (Associazione Professionale Italiana Ambiente e Sicurezza),

AIS/ISA Italy Section (Associazione Italiana Strumentisti) – e dei

centri di eccellenza nella realizzazione di interessanti momenti formativi,

convegni, seminari e workshop dal taglio tecnico-applicativo.

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events AGENDA

a p p u n t a m e n t i

2013

FEBBRAIO

• FARMAMAQ

12-14 febbraio 2013

Zaragoza, Spagna

www.feriazaragoza.es

/farmamaq.aspx

MARZO

• PITTCON

17-21 marzo 2013

Philadelphia, Usa

www.pittcon.org

• SEP

19-22 marzo 2013

Padova

www.seponline.it

• OMC

Offshore Mediterranean

Conference

18-22 marzo 2013

Ravenna

www.omc.it/2013

• SEP

19-22 marzo 2013

Padova

www.seponline.it

• HYDRICA

19-22 marzo 2013

Padova

www.hydrica.org

• INTERSOL

26-28 marzo 2013

Lione, Francia

www.intersol.fr

• PCH Meetings

27-28 marzo

Lione (Francia)

www.pchmeetings.com

APRILE

• PHARMINTECH

17-19 aprile 2013

Bologna

www.pharmintech.it

• POWTECH

23-25 aprile 2013

Norimberga, Germania

www.powtech.de

• PARTEC

23-25 aprile 2013

Norimberga, Germania

www.partec.info

• TECHNOPHARM

23-25 aprile 2013

Norimberga, Germania

www.technopharm.de

• INTERPHEX

23-25 aprile 2013

New York, Usa

www.interphex.com

MAGGIO

• SOLAR EXPO

8-10 maggio 2013

Milano

www.solarexpo.com

• ACHEMASIA

13-16 maggio 2013

Beijing, Cina

www.achemasia.de

• LASER WORLD

PHOTONICS

13-16 maggio 2013

Monaco di Baviera,

Germania

www.world-of

-photonics.net

SETTEMBRE

• OIL&FATS

18-20 settembre 2013

Monaco di Baviera,

Germania

www.oils-and-fats.com

• CHEM-MED

24-26 settembre 2013

Milano

www.chem-med.eu

• ILMAC 2013

24-27 settembre 2013

Basilea, Svizzera

www.ilmac.ch

OTTOBRE

• WEC DAEGU

22° Congresso mondiale

dell’Energia

13-17 ottobre 2013

Daegu, Korea

www.daegu2013.kr

• K

16-23 ottobre 2013

Düsselforf, Germania

www.k-online.de

• MCM

29-30 ottobre 2013

Verona

www.mcmonline.it

• SAVE

29-30 ottobre 2013

Verona

www.exposave.com

• VPC

29-30 ottobre 2013

Verona

www.eiomfiere.it/vpc

NOVEMBRE

• AUTOMATION FAIR

13-14 novembre 2013

Houston, Usa

www.rockwellautomation.

com/events/automationfair

• mcT

TECNOLOGIE PER

IL PETROLCHIMICO

28 novembre 2013

Milano

www.eiomfiere.it/

mctpetrolchimico

• ECOMONDO

6-9 novembre 2013

Rimini

www.ecomondo.com

DICEMBRE

• POLLUTEC

3-6 dicembre 2013

Parigi, Francia

www.pollutec.com


86

ATTUALITÀ

Estata annunciata la trasformazione della raffineria eni di Marghera

in bioraffineria, dove come materia prima non verrà più

utilizzato il petrolio, ma oli vegetali e grassi animali [1]. Il progetto,

che prevede un investimento stimato in circa 100

milioni di euro, rappresenta il primo caso al mondo di riconversione di

una raffineria convenzionale in bioraffineria ed è fondato sulla tecnologia

“Ecofining”, brevettata e sviluppata da eni insieme all’azienda

americana UOP [2-5].

La raffineria verde partirà con una prima fase di conversione degli

impianti esistenti (revamping) che sarà avviata nel secondo trimestre

del 2013 e completata entro la fine dello stesso anno; in questo

periodo sarà utilizzato l’impianto già esistente di produzione di idrogeno

e saranno modificati alcuni vecchi impianti e costruiti di nuovi.

La produzione di biocarburanti sarà avviata da gennaio 2014 e crescerà

progressivamente a fronte dell’entrata in esercizio di nuovi

impianti, in particolare con un’ulteriore produzione di idrogeno, che

saranno completati nel primo semestre del 2015.

Mentre in Europa c’è una sovracapacità di raffinazione e nel 2011

sono stati chiusi 11 impianti e altre nuove chiusure sono previste, in

eni stanno già pensando a come utilizzare impianti in sovracapacità

in modo alternativo per ottenere prodotti nuovi o di alta qualità e mantenere

così l’occupazione. In particolare la raffineria di Marghera ha

già diminuito la sua capacità di produzione e sono stati persi 130

milioni di euro in tre anni, mentre con la nuova trasformazione non

dovrebbero esserci più perdite e saranno occupati 180 dei 300

addetti attuali.

La produzione di HVO (Hydrogenated vegetable oil) a Marghera, dove

il prodotto principale sarà il “diesel verde”, coprirà il 50% delle esigen-

di Ferruccio Trifirò

L’attuale raffineria di Marghera sarà modificata nei prossimi due anni per poter utilizzare come materia prima oli vegetali anziché

petrolio allo scopo di ottenere biocarburanti, in gran parte diesel, GPL e, in minore quantità, benzina e cherosene. I biocarburanti

saranno ottenuti per idrogenazione dell’olio vegetale ed idroisomerizzazione successiva.

`

Nov./Dic. ‘12

POLO VERDE

A MARGHERA:

FORSE RIPARTE

UNA NUOVA

CHIMICA

ze di diesel dell’eni, con una prima produzione di 300 milioni di t/a e

poi nel 2015 di 500 milioni di t/a. La materia prima, l’olio di palma,

arriverà via nave dalla Malesia e dall’Indonesia, mentre successivamente

saranno utilizzati anche oli non di tipo alimentare, come oli di

scarto da industrie alimentari, oli e grassi animali, oli esausti, olio da

coltivazioni energetiche come jatropha e alghe.

Si spera che in futuro a partire da questi biocarburanti si potrà arrivare

a bio-tensioattivi, bio-solventi, bio-vernici, bio-collanti, bio-inchiostri,

bio-resine, bio-polimeri, bio-plastificanti e bio-plastiche e quindi

ad una nuova chimica.

Il “diesel verde” prodotto con il processo “Ecofining” viene ottenuto

idrogenando l’olio a paraffine C16-C18 con coproduzione di propano,

diversamente dal “biodiesel” (FAME), quello che si ottiene per

transesterificazione di oli con metanolo e formazione dell’estere metilico

degli acidi grassi e coproduzione di glicerina. Il processo Ecofining

si realizza in due stadi: l’idrogenazione degli oli e l’idrocracking

e/o isomerizzazione delle n-paraffine ottenute nella prima reazione.

L’isomerizzazione serve per aumentare le proprietà a freddo del diesel

e produce isoparaffine e idrocarburi leggeri (nafta e cherosene)

come sottoprodotti in quantità fino al 10%, e l’idrocracking serve per

incrementare la produzione di cherosene.

A Marghera il reattore di idrogenazione e quello di isomerizzazione

saranno ottenuti per leggera modifica di impianti esistenti nella raffineria,

mentre sarà realizzato un impianto a monte di pretrattamento

dell’olio per eliminare impurezze contenenti Na, Ca e P.

Il propano ottenuto come coprodotto può essere utilizzato per produrre

l’idrogeno necessario per reazione di reforming. I vantaggi di

questo processo rispetto alla produzione del biodiesel tradizionale, il


FAME, ottenuto per transesterifcazione sono molteplici. Innanzitutto è

possibile utilizzare oli che contengono acidi grassi ed utilizzare diversi

tipi di oli, anche di bassa qualità, quindi a basso prezzo, infatti la

qualità del diesel ottenuto non risente della variabilità della tipologia

d’olio in carica. Inoltre è possibile inserire la produzione all’interno di

una raffineria di petrolio utilizzando le strutture esistenti (serbatoi e

movimentazione), quindi non c’è nessun problema di integrazione.

Infine nel processo Ecofining si ottiene un diesel con un maggior

potere calorifico, ottima stabilità, basso potere solvente e bassa solubilità

in acqua, proprietà a freddo modulabili e alto numero di cetano

(>80), mentre quello da petrolio o il biodiesel hanno un indice


88

ATTUALITÀ

Praga, una delle più affascinanti capitali del cuore dell’Europa,

ha ospitato lo scorso agosto, dal 26 al 30, il 4° European

Chemistry Congress (4th EEC): l’attività congressuale più

prestigiosa dell’EuCheMS (European Association for Chemical

and Molecular Sciences), associazione scientifica costituita da 41

Società chimiche nazionali per un totale di più di 150.000 chimici, e

che quindi rappresenta praticamente tutti i chimici europei.

Le edizioni precedenti si sono svolte a Budapest nel 2006, a Torino nel

2008 ed a Norimberga nel 2010; la prossima edizione avrà luogo a

Istanbul dal 31 agosto al 4 settembre 2014, mentre la sesta si terrà a

Siviglia nel 2016. La scelta di Praga per il nostro evento scientifico

europeo più importante è stata particolarmente significativa per la

lunga e autorevole storia, a livello mondiale, della chimica ceca; come

è stato in particolare messo in evidenza nel corso della cerimonia di

apertura del congresso dal Presidente EuCheMS, Ulrich Schubert e

dal chairman del congresso, Joseph Michl, nonché dal presidente del

comitato organizzatore locale, Pavel Drašar. Tanti, infatti, i chimici che

si sono formati e hanno operato a Praga, nella prestigiosa Charles University

(una delle più antiche università europee, fondata nel 1348), e

tanti quelli che hanno poi continuato le loro ricerche in altre università

europee ed americane.

L’elemento maggiormente significativo

del congresso è rappresentato dall’elenco

dei Plenary Lecturers: nove, di cui ben

cinque premi Nobel. Elenchiamo questi

ultimi in ordine delle loro presentazioni:

Jean-Marie Lehn, Gerard Ertl, Kurt Wüthrich,

Roger Y. Tsien, Robert H. Grubbs.

Tra le loro presentazioni, tutte di assoluto

spessore e ovviamente legate alle ricerche

che li hanno portati al prestigioso

riconoscimento e che ad esso hanno poi

Nov./Dic. ‘12

di Francesco De Angelis a ,

Sergio Facchetti b , Bruno Pignataro c

a Università dell’Aquila

b Consiglio Nazionale dei Chimici - Roma

c Università di Palermo

IL 4° EUCHEMS CHEMISTRY

CONGRESS DI PRAGA

Una veduta della Charles University di Praga

fatto seguito, forse ha colpito maggiormente quella di Tsien (“Breeding

and building molecules to image cells, electric fields, and disease processes”).

In essa i confini tra chimica, fisica, biologia e fisiologia, e perfino

medicina-chirurgia sono davvero apparsi come sfaccettature

diverse di una stessa scienza: una scienza per il benessere dell’uomo.

Tra le altre lezioni plenarie, di Manfred T. Reetz, Vlasta Bonacic-Koutecky,

Helmut Schwartz e David Milstein, particolarmente apprezzata

è stata quella di Schwartz (“Chemistry with methane: concepts rather

than recipes”) per la visione unificante della chimica che, a partire da

una piccola molecola, in essa veniva proposta. Assolutamente da non

dimenticare, a compendio del simposio speciale su “Chimica ed

Etica”, l’ultima opera teatrale di Carl Djerassi, “Insufficiency”, mostrata

alla presenza del suo autore.

In passato è stata proposta la metafora che il congresso EuCheMS è

come un grande evento sportivo: se è interessante avere competizioni

a livello nazionale, gli eventi di maggior fascino avvengono a livello

europeo, con la competizione ampliata su base sovranazionale! Il format

dei congressi EuCheMS, infatti, richiama quello dei grandi meeting

indubbiamente internazionali dell’ACS: simposi organizzati da eminenti

scienziati; aree espositive e momenti di riunione a disposizione delle

aziende della chimica, dei publisher e

delle società e delle associazioni chimiche

(tra di esse a Praga, per citarne solo

alcune, la Basf, la Bayer, la Sanofi e la

Novartis, l’ACS, la GDCh, la RSC, la CSJ

- Società Chimica Giapponese, l’ECTNA,

la ChemPubSoc Europe); sessioni premio;

gli EuCheMS “career days”. Se è

vero, inoltre, che la chimica non conosce

i confini della cosiddetta ricerca di base e

della ricerca applicata, i “megatopic” del

congresso vengono scelti in modo tale


da comprendere sia le attività di ricerca accade-

Norimberga (più di 2.300 - in tale occasione la

miche che industriali.

presenza dei chimici tedeschi fu particolarmente

Secondo tradizione, anche il 4° Congresso

rilevante). Una disaggregazione dei dati per

EuCheMS ha affrontato quindi i più importanti

nazione (includendo anche la partecipazione di

aspetti della disciplina, vertenti sia sui temi tradi-

congressisti di nazioni non europee) porta alla

zionali della chimica che sulle tematiche mag-

formazione della tabella statistica riportata a lato.

giormente attuali, trattati nelle sessioni parallele

qui di seguito riportate:

- chimica analitica ed elettrochimica;

Quest’ultimo dato, depurato del fatto che i partecipanti

da Olanda, Danimarca e Canada sono

stati molto pochi (ovvero essi hanno partecipato

- insegnamento, storia ed etica professionale;

prevalentemente su invito), porta a riflettere in

- ambiente e chimica verde/sostenibile;

positivo come la partecipazione italiana sia stata

- chimica degli alimenti;

premiata da un numero relativamente elevato di

- chimica inorganica;

inviti a tenere conferenze.

- chimica organica e polimeri;

- chimica-fisica, teorica e computazionale;

La sessione premi del congresso, tenutasi

durante la solenne cerimonia di apertura, ha

- scienze della vita;

visto in primis il conferimento del 2

- nanochimica e nanotecnologie;

- chimica dello stato solido e dei materiali.

Da notare che molte delle sessioni sono state

organizzate da colleghi italiani: tra esse Alberto

Credi ha coordinato la sezione su nanochimica e nanotecnologie;

Piero Sozzani quella su chimica dello stato solido e dei materiali; Sergio

Facchetti quella su insegnamento, storia ed etica professionale.

Ognuna di tali sessioni era quindi articolata in sezioni dedicate a temi

specifici, coordinate e presiedute da molti colleghi europei e tra essi

Piero Tundo (chimica verde ed energia) e Francesco De Angelis (spettrometria

di massa e scienze della vita). Sergio Facchetti e Francesco

De Angelis, tra l’altro, oltre ad essere membri del Comitato Scientifico

del congresso, come membri dell’Executive Board dell’EuCheMS

hanno anche fatto parte del comitato organizzatore in rappresentanza,

rispettivamente, del Consiglio Nazionale dei Chimici e della Società

Chimica Italiana.

A latere delle dieci sessioni di cui sopra, si sono svolti, inoltre, tre simposi

speciali dedicati al futuro della sintesi chimica (chimica

verde/sostenibile, e processi a flusso continuo), alla chimica bio-organica,

ed alla chimica ed etica. Di particolare rilievo un’ulteriore sessione

gestita dallo European Young Chemists Network (l’organizzazione

dei giovani chimici dell’EuCheMS) che si è avvalsa dell’energia e dell’entusiasmo

delle nuove generazioni. Complessivamente l’attività

scientifica del congresso, oltre aver ospitato le nove lezioni plenarie, si

è articolata su 164 key-note lectures, 359 comunicazioni orali e 1.018

comunicazioni poster, per un totale di 1.693 riassunti (incluse le comunicazioni

accettate ma poi non presentate). Interessante in generale,

ed in particolare per la chimica italiana, la partecipazione al congresso.

I dati che seguono sono stati resi disponibili all’annuale assemblea

generale dell’EuCheMS, tenutasi lo scorso ottobre e Dublino. In totale

i partecipanti sono stati 1.856 (da 61 Paesi), in calo rispetto al passato,

a conferma della difficile situazione economica che l’Europa intera

sta attraversando. Un dato, questo di Praga, inferiore sia ai congressi

di Torino e Budapest (ambedue superiori a 2.000) che a quello di

nd Partecipanti per nazione

Germania 476

Repubblica Ceca 203

Francia 97

Italia 88

Gran Bretagna 79

Svizzera 69

Percentuale sul totale delle presentazioni orali

Germania 20%

Italia 10%

Gran Bretagna 8%

Francia 7%

USA 6%

Spagna 5%

Partecipazione “attiva” per nazione, sul totale dei

partecipanti della nazione stessa, di invitati a tenere una

conferenza plenaria o una key-note lecture

Olanda 81%

European

Danimarca 67% Sustainable Chemistry Award (un riconoscimen-

Canada 67% to prestigioso, affiancato da una somma in

USA 59%

denaro, istituito dall’EuCheMS nel 2010 per pre-

Italia 58%

miare le ricerche nell’ambito della chimica

sostenibile) a Marc Taillefer (Montpellier, France), per le sue ricerche nel

campo della catalisi omogenea con complessi di rame e ferro nelle

reazioni di accoppiamento, con formazione di legami C-C, C-N, C-O

e C-P. Patroni dell’ESCA 2012 sono stati Paul Crutzen e Jean-Marie

Lehn. Altri premi sono stati conferiti dalla GDCh, l’August-Wilhelmvon-Hofmann-Denkmünze

a Sason Shaik (Gerusalemme, Israele) e a

Martin Quack (Zurigo, Svizzera). Jean-Marie Lehn ha quindi conferito

cinque premi a lui intitolati, e sponsorizzati dall’industria francese Rhodia,

ad altrettanti giovani ricercatori della Repubblica Ceca.

La Società Chimica Ceca ha conferito il suo premio più prestigioso, la

medaglia Hanus, a Juri Zolotov (Mosca, Russia) e Reiner Salzer (Dresden,

Germania).

Infine la RSC ha conferito il suo Supramolecular Award a Jerry Atwood

(Columbia, Missouri, USA).

La cerimonia di apertura è stata quindi seguita da un pregevole concerto

del Czech Collegium, con musiche di Bernstein, Gershwin,

Rubinstein ed altri autori del secolo scorso.

Il conferimento del 2nd European Sustainable Chemistry Award a Marc Taillefer

Nov./Dic. ‘12 89

ATTUALITÀ


90

ATTUALITÀ

Così come enfatizzato da Robert Grubbs nella sua relazione plenaria,

un’idea sulle possibili prospettive della chimica nel futuro è stata data

dalle relazioni presentate dai giovani chimici. È su di esse che ci soffermeremo

quindi, con particolare riferimento ai lavori dei giovani che

hanno partecipato e si sono distinti nel corso della competizione per il

quarto “European Young Chemist Award” (EYCA2012) che si è svolto,

come ormai consuetudine, all’interno dei congressi EuCheMS. Facendo

seguito, infatti, ai congressi di Budapest, Torino e Norimberga, il

Premio ha inteso essere vetrina e riconoscere quindi l’eccellenza della

ricerca chimica condotta da giovani chimici.

Lo EYCA, che ha avuto quest’anno come sponsor il Consiglio Nazionale

dei Chimici italiano (CNC) e come sempre la Società Chimica Italiana

(SCI), è stato organizzato da Bruno Pignataro e si è svolto sotto

il patronato dell’EuCheMS, del 4 th EuCheMS Chemistry Congress,

della SCI, del CNC e dello European Young Chemists Network

(EYCN). Dopo una complessa fase di pre-selezione che ha portato a

20 le 50 domande pervenute, fase resa particolarmente ardua visto

l’alto livello dei concorrenti, il Premio è stato assegnato da una giuria

composta dal Nobel Laureate in Chemistry 2005 Robert H. Grubbs

(California Institute of Technology, USA) quale presidente, da Vincenzo

Aquilanti (Professore Emerito di Chimica - Università di Perugia) e da

Viktor Brabec (Direttore del Dipartimento di Molecular Biophysics and

Pharmacology, Brno, CZ). Esso ha comportato il conferimento, oltre

che di una somma in denaro per ciascuno dei premiati, di una medaglia

d’oro per il primo e due d’argento per i secondi classificati, sia per

la sezione Dottorato di Ricerca che per la sezione senior (età massima

35 anni). Per la sezione senior sono stati premiati: Elisabetta Collini

(Università di Padova, Italia), medaglia d’oro; Yury O. Tsybin e Jerome

Waser (ambedue dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera),

medaglia d’argento ex-equo. Per la sezione PhD sono stati premiati:

Shan Jiang (Università di Liverpool, Gran Bretagna), medaglia

d’oro; Gabriel Loget (Università di Bordeaux, Francia) e Olalla Vázquez

(Università di Santiago de Compostela, Spagna), medaglia d’argento

ex-equo. Un cenno va fatto, più in particolare, ai contenuti di alcune

relazioni più meritevoli tra le tante presentate dai giovani chimici che

hanno partecipato a questo importante evento, vetrina a livello euro-

Nov./Dic. ‘12

peo delle nostre due società SCI e CNC (vedi Bruno Pignataro, “The

European Young Chemist Award 2012”, Chemistry - a European Journal,

doi: 10.1002/chem.201203310).

Nell’area del self-assembly molecolare, ci preme menzionare un contributo

di M. Baroncini (Università di Bologna, Italia), il quale costituisce

un passo importante verso la realizzazione di pompe molecolari artificiali.

In un altro di G. Loget (secondo classificato nella sezione PhD),

vengono proposti nuovi concetti basati sulla bioelettrochimica bipolare,

per generare movimento su scala micro- e sub-micrometrica e che

apre nuove prospettive nel campo delle tecnologie dei micro- e nanosistemi.

Nel campo dell’area della chimica fisica, teorica e computazionale,

merita una menzione particolare il lavoro di E. Collini (Università

di Padova, Italia), che ha poi vinto lo EYCA2012. In esso vengono

studiate proteine mediante spettroscopia elettronica 2D, allo scopo di

comprendere il ruolo dell’arrangiamento dei cromofori nella migrazione

dell’energia in complessi antenna. Piuttosto affollata, com’è ormai

tradizione, si è rivelata l’area della sintesi organica. Tra gli studi presentati

sono certamente da segnalare i lavori nel campo della catalisi

omogenea ed eterogenea: in particolare i riarrangiamenti molecolari

per la formazione dei legami C-C e le reazioni di ciclizzazione e anellazione

di amminociclopropani sostituiti, con sistemi push-pull, presentate

da J. Waser (medaglia d’argento ex-equo nella competizione

senior). Altri contributi da menzionare riguardano la trasformazione di

aziridine e azetidine in differenti sistemi eterociclici, la microflow chemistry

come nuova possibilità per la sintesi chimica e la sintesi di proteine

di interesse terapeutico.

Importanti contributi sono venuti anche nell’area della chimica analitica

e dell’elettrochimica. Ricordiamo tra essi il lavoro di Y. Tsybin

(medaglia d’argento ex-equo nella competizione senior) sulla spettrometria

di massa con i metodi EFT (Enhanced Fourier Transform) e

FDM (Filter Diagonalization) e le loro applicazioni a grandi proteine

intatte (inclusi gli anticorpi monoclonali) o a campioni ambientali complessi

come i crude oils e i biofuels.

Nell’area delle scienze della vita da menzionare il lavoro di O. Vázquez

(medaglia d’argento ex-equo a livello PhD), che tratta di nuovi agenti

specifici e probe fluorescenti per il riconoscimento del DNA.

Nella chimica dello stato solido e dei materiali corre l’obbligo citare il

contributo di S. Jiang (medaglia d’oro a livello PhD), che riporta uno

studio sperimentale e computazionale di gabbie porose organiche

amorfe, con l’intento dello sviluppo di tali materiali amorfi nelle separazioni

e nei processi catalitici in applicazioni industriali.

La sonochimica, infine, era presente all’interno dell’area della chimica

verde ed ambientale, mentre rilevanti contributi nell’area della chimica

inorganica erano principalmente focalizzati sulla sintesi, lo studio strutturale

e le applicazioni catalitiche di diversi complessi metallici, tra cui

alcuni poliossometallati.

Possiamo concludere che qualità degli interventi scientifici, efficacia

organizzativa e assiduità di partecipazione hanno motivato il pieno

successo del congresso, facendo di esso un punto di riferimento per

le future edizione dell’EuCheMS, European Chemistry Congress.


Dall’11 al 15 settembre 2012 si è tenuta a Pallanza-Verbania la

scuola di catalisi “Recent advances and new trends in catalysis”,

patrocinata da EFCATS (European Federation of Catalysis

Societies), la federazione costituita da 25 società europee

di catalisi. La scuola è stata organizzata unitamente alla prima scuola di

catalisi Italo-Spagnola, grazie allo sforzo congiunto del Gruppo Interdivisionale

di Catalisi (GIC) appartenente alla Società Chimica Italiana e della

Sociedad Española de Catálisis (SECAT). La realizzazione della Scuola

di Alberto Naldoni, Nicola Scotti

ISTM-CNR

Milano

alberto.naldoni@istm.cnr.it

nicola.scotti@istm.cnr.it

SCUOLA EFCATS 2012

“RECENT ADVANCES AND

NEW TRENDS IN CATALYSIS”

La scuola europea ha affrontato le principali tematiche della catalisi in maniera approfondita e critica ed infine sono stati discussi

gli aspetti più innovati connessi al ruolo della catalisi nel panorama Horizon 2020.

EFCATS è stata resa possibile anche grazie al contributo degli sponsor

istituzionali quali Società Chimica Italiana-Divisione di Chimica Industriale

e Associazione Italiana Zeoliti (AIZ), nonché da sostanziali contributi

provenienti dal settore privato (Elsevier Srl, Micromeritics Srl, Siad SpA,

Assing SpA, Risam Gas Srl, eni SpA). Grazie anche al contributo economico

degli sponsor sopra citati e del GIC molti partecipanti alla scuola

hanno potuto usufruire di borse di studio premio, che coprivano totalmente

o in parte i costi di iscrizione e di alloggio della scuola.

Nov./Dic. ‘12 91

ATTUALITÀ


92

ATTUALITÀ

Il comitato scientifico della scuola era costituito da Fabrizio Cavani

(Università di Bologna), Gabriele Centi (Università di Messina), José

Manuel López Nieto (Istituto de Tecnología Química, UPV-CSIC),

Claude Mirodatos (Università di Lyon, CNRS), Hans Niemantsverdriet

(Università di Eindhoven), José Antonio Odriozola (Università di Sevilla),

Paolo Pollesel (eni SpA), Nicoletta Ravasio (ISTM-CNR) e Juan

Ramón González Velasco (Università del País Vasco, UPV/EHU),

mentre quello organizzatore da Rinaldo Psaro (Chairman), Vladimiro

Dal Santo, Claudio Evangelisti, Matteo Guidotti, Nicola Scotti e

Federica Zaccheria dell’ISTM-CNR (Istituto di Scienze e Tecnologie

Molecolari del CNR). Bisogna però rimarcare l’indispensabile contributo

organizzativo svolto da tutti i componenti del gruppo di catalisi

eterogenea dell’ISTM-CNR di Milano ed in particolare da Matteo

Mariani, Alberto Naldoni, Federica Santoro e Cristina Tiozzo.

Il programma della scuola ha toccato tutti gli argomenti della catalisi,

soprattutto quella eterogenea, con una particolare attenzione agli

aspetti più recenti e innovativi, con un taglio didattico ma sempre critico

e attuale. Le 20 invited lectures che si sono susseguite nel corso

della scuola hanno avuto un ampio respiro, passando da lezioni

dedicate all’applicazione di tecniche avanzate, come la microscopia

elettronica ad alta risoluzione per la catalisi, ad altre focalizzate su

sviluppo e impiego di tecniche computazionali per arrivare ad un

design efficiente di catalizzatori di nuova generazione.

Alla Scuola EFCAT 2012 erano presenti 90 partecipanti (per lo più

dottorandi) provenienti da tutto il mondo: Italia e Spagna sono stati,

come logico aspettarsi, i Paesi più rappresentati, ma non sono mancati

studenti arrivati da Polonia, Olanda, Grecia, Svezia, Svizzera,

Francia, Finlandia, Austria, Bulgaria, Ungheria, Repubblica Ceca,

Slovacchia, Turchia e perfino Colombia ed Indonesia. Il continuo

scambio di idee ed opinioni tra studenti e professori ha contribuito a

creare un ambiente piacevole ed informale. Questi aspetti, uniti all’interdisciplinarità

del programma scientifico e l’alto livello di internazionalizzazione,

hanno determinato il grande successo della scuola,

oltre che la nascita di nuove collaborazioni.

L’evento si è aperto martedì sera, con la conferenza di E. Iglesia (Universtità

della California, Berkeley) che ha messo in evidenza l’impatto

delle dimensioni delle nanoparticelle nell’attività e nella selettività di

catalizzatori nanostrutturati eterogenei.

Il mattino seguente è invece iniziato con un excursus storico di A.

Zecchina (Università di Torino) sull’evoluzione della catalisi negli ultimi

100 anni grazie al contributo di 16 premi Nobel. Questa lezione

ha messo in evidenza la natura dinamica della catalisi e la sua rilevanza

in numerosi campi della chimica pura e applicata. Di seguito,

C. Coperet (ETH di Zurigo) ha illustrato alcuni esempi in cui lo studio

del meccanismo di reazione in catalisi eterogenea ha permesso la

determinazione di importanti dettagli strutturali e di attività, aspetti

fondamentali per ottenere catalizzatori sempre più efficienti ed utilizzabili

a livello industriale.

Successivamente, K.P. de Jong (Università di Utrecht) ha condotto

una lezione in cui ha illustrato le diverse strategie di preparazione di

Nov./Dic. ‘12

supporti e di catalizzatori solidi e le proprietà che questi materiali

dovrebbero avere per poter essere attivi e conservare la loro attività

nel corso di una reazione. Diversamente, il pomeriggio è stato dedicato

alla catalisi omogenea e nello specifico ai polimeri con due

case-history sulla polimerizzazione controllata tenuti da B. Milani

(Università di Trieste).

Il terzo giorno della scuola EFCATS è stato dedicato principalmente

alla caratterizzazione e alla modellizzazione dei catalizzatori.

Quest’ultimo argomento è stato trattato in particolare da P. Sautet

(CNRS di Lione), che, riassumendo le basi quanto-meccaniche su cui

si basano gli attuali metodi di calcolo, ha elucidato alcuni esempi di

modellizzazione e simulazione di sistemi attivi rilevanti per la catalisi

eterogenea. La mattina è proseguita con un’interessante lezione di H.

Niemantsvedriet (Università di Eindhoven) che ha illustrato come un

approccio combinato e intelligente delle tecniche di caratterizzazione

avanzata sia fondamentale per comprendere il proprio sistema catalitico.

Più nello specifico G. Busca, J. Llorca e A. Sepulveda hanno

approfonditamente discusso della spettroscopia infrarossa e dell’utilizzo

di molecole sonda, delle più moderne tecniche HRTEM e delle

isoterme di adsorbimento dei gas, rispettivamente.

Nel primo caso, Busca (Università di Genova) ha messo in evidenza

la versatilità e la capacità informativa della spettroscopia infrarossa

nell’analisi e studio della superficie di catalizzatori eterogenei. J. Llorca

(Università Politecnica di Catalogna-BarcelonaTech), invece, ha

spiegato le basi della microspia elettronica (HRTEM, STEM, ecc.)

mostrando immagini ad alta risoluzione di catalizzatori solidi utilizzati

in reazioni cruciali per la produzione sostenibile di idrogeno (steam

reforming, water splitting foto catalitico). Per finire, A. Sepulveda

(Università di Alicante) ha mostrato diverse metodologie sperimentali

che permettono la determinazione dimensionale dell’area superficiale

e dei pori presenti nella struttura di catalizzatori eterogenei.

Il tema centrale di venerdì riguardava lo studio del meccanismo di

azione di un catalizzatore allo scopo di prevederne l’attività catalitica.


In questo contesto B.C. Gates (Università della California, Davis) ha

illustrato la sua strategia per preparare catalizzatori supportati con

siti attivi uniformi e omogenei, mettendo in evidenza lo stato dell’arte

nella microscopia elettronica a scansione (STEM) e il suo utilizzo

nella visualizzazione a dettaglio atomico di tali catalizzatori.

I. Hermans (ETH di Zurigo) ha sottolineato la rilevanza industriale

ricoperta dalle reazioni di ossidazione, in particolare di quelle selettive,

e si è soffermato su alcuni significativi esempi, spiegandone il

meccanismo, mentre G. Rothenberg (Università di Amsterdam) ha

catturato l’attenzione dei presenti proponendo un software in grado

di predire l’attività di un catalizzatore.

Il successo di un sistema catalitico va però ripartito equamente tra

l’attività del catalizzatore, la sua strutturazione all’interno dell’impianto

(sotto forma, ad esempio, di honeycoms, foams ecc.) e la geometria

del reattore, come ha messo in luce in maniera chiara E. Tronconi

(Politecnico di Milano).

Siamo così arrivati all’ultimo giorno, che è stato dedicato soprattutto

agli aspetti più innovativi che riguardano il ruolo della catalisi nello sviluppo

industriale e sostenibile e nella ricerca di nuove vie di produzione

dell’energia.

Lo sviluppo di catalizzatori eterogenei enantioselettivi, problema di

grande attualità, è stato affrontato da J.A. Mayoral (Università di

Saragozza), mentre il ruolo fondamentale delle biomasse nella socie-

tà moderna, sia come materie di partenza per la produzione di chemicals,

che come risorse da utilizzare per la produzione di carburanti

alternativi, è stato descritto da C. Pinel (CNRS di Lione) e M. Ricci

(eni). Infine G. Centi (Università di Messina) ha parlato del nuovo Programma

Europeo per la ricerca e l’innovazione “Horizon 2020”, illustrandone

gli obiettivi e indirizzando la platea verso quelli che saranno

i cambiamenti, le problematiche e le innovazioni tecnologiche che

la produzione industriale europea dovrà affrontare.

Inoltre, durante la scuola EFCATS si sono svolte due interessanti

lezioni focalizzate sulla presentazione dei dati scientifici, tema fondamentale

per diffondere e valorizzare i propri risultati di ricerca.

Nella prima lezione, svoltasi giovedì, H. Niemantsvedriet ha spiegato

come preparare ed esporre una presentazione orale in maniera efficace

e produttiva, cercando di tracciare delle linee guida da seguire

per ottenere un risultato finale che riesca a catturare l’attenzione dell’ascoltatore

e a rendere incisivo il proprio intervento.

La seconda sessione tematica, tenuta da G. Rothenberg nella giornata

di venerdì, è stata dedicata a come tradurre in maniera comunicativa

e credibile i propri risultati scientifici in articoli scientifici,

report, tesi di dottorato. Entrambi gli interventi sono stati affrontati

con una grande interattività da parte degli oratori e un ampio coinvolgimento

di pubblico, che ha apprezzato molto lo stile delle lezioni

e i suggerimenti forniti.

Durante la scuola è anche stata organizzata una poster session

molto seguita da studenti e professori che hanno avuto un’occasione

in più per scambiarsi idee, contatti e per instaurare future collaborazioni.

I professori presenti hanno avuto anche il piacere di assegnare

tre premi forniti dall’Elsevier ai migliori poster ed i vincitori

sono stati Cammella Oumahi (Università Pierre e Marie Curie, Parigi),

Nuria J. Divins (INTE e CRnE, Barcellona) e Alberto Naldoni

(ISTM-CNR, Milano).

Premiazione dei tre migliori poster, da sinistra a destra: Cammella Oumahi,

Nuria J. Divins e Alberto Naldoni

Nov./Dic. ‘12 93

ATTUALITÀ


94

ATTUALITÀ

Il giorno 19 ottobre 2012 nell’Aula Magna del Dipartimento di Chimica

e Chimica Industriale dell’Università degli Studi di Genova ha avuto

luogo un incontro per festeggiare gli ottant’anni del professor Domenico

Spinelli. L’evento, organizzato dalla Sezione Liguria della Società

Chimica Italiana, è stato aperto dallo scrivente, nella sua veste di Presidente

della Sezione, che ha salutato e ringraziato i numerosi partecipanti,

che non erano solo genovesi. Hanno voluto infatti essere presenti

numerosi amici e colleghi in rappresentanza davvero di tutto il Paese:

Maria C. Aversa da Messina, Armandodoriano Bianco e Marcella Guiso

da Roma, Stefano Chimichi da Firenze, Guido Viscardi e Pierluigi Quagliotto

da Torino, Giuliana Pitacco e Fabio Benedetti da Trieste. Numerosissimi

altri, non potendo partecipare in persona, hanno inviato messaggi

porgendo con amicizia ed affetto i più fervidi auguri al professor

Spinelli. La sede genovese è stata la prima, dopo Bari, in cui si è svolta

la lunga e proficua vicenda professionale, ma anche umana, del nostro

Mimmo e proprio per tale motivo la Sezione Liguria ha voluto promuovere

questo incontro.

Nei primi ottant’anni di vita di Domenico Spinelli la chimica, ed in particolare

l’organica, ha avuto un ruolo centralissimo ed importantissimo:

nato a Bari il 30 maggio 1932 si è infatti laureato in Chimica, con lode,

all’Università di Bari nel 1955. Presso questa università ha iniziato la sua

carriera accademica e scientifica, tutta dedicata alla chimica organica,

trasferendosi poi nel 1962, dunque esattamente cinquant’anni fa, pres-

Nov./Dic. ‘12

di Giorgio Cevasco

Presidente Sezione Liguria SCI

DOMENICO SPINELLI:

OTTANT’ANNI ALLA GRANDE,

E NON LI DIMOSTRA…

In occasione del compimento dei “primi” ottant’anni del professor Domenico Spinelli la Sezione Liguria della Società Chimica

Italiana ha organizzato un incontro a Genova, sede universitaria da cui ha preso le mosse la lunga e fruttuosa attività scientifica,

didattica ed organizzativa di Mimmo Spinelli, per festeggiarlo e per testimoniargli l’affetto e la riconoscenza dei chimici genovesi

e dell'intera comunità chimica nazionale.

so la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali dell’Università di

Genova. Lo scrivente ha avuto la fortuna di averlo come docente di

Organica I e l’imprinting è stato decisivo, una volta superata la difficoltà

iniziale di orientarsi bene tra alcani e alcheni: in effetti a quei tempi il professor

Spinelli conservava ancora un po’ la caratteristica pronuncia barese

della vocale “a”!

Con grande affetto sono state poi ricordate alcune persone che purtroppo

non sono più con noi ma che sono state importanti e carissime non

solo per Mimmo ma anche per molti dei presenti. Le fotografie dei professori

Giuseppe Leandri (in compagnia del Maestro Angelo Mangini),

Carlo Dell’Erba e Marino Novi dell’Ateneo genovese hanno suscitato una

grande emozione: tutti loro sono infatti ben vivi nei cuori di coloro che

hanno avuto la fortuna ed il privilegio di conoscerli appieno. Nel 1968, in

seguito alla vittoria del concorso a cattedra di Chimica Organica, il professor

Spinelli si è trasferito alla Facoltà di Farmacia dell’Università di

Sassari e successivamente ancora alla Facoltà di Scienze dell’Università

di Palermo. Nel 1974 si è finalmente trasferito alla Facoltà di Farmacia

dell’Università di Bologna dove ha concluso la sua attività didattica

ma non certo quella scientifica, che è tuttora vivace e feconda.

Nella sua lunga carriera ha pubblicato oltre trecento articoli sulle più prestigiose

riviste scientifiche internazionali ed è co-editore delle serie

“Topics in Heterocyclic Systems” e “Targets in Heterocyclic Systems”.

L’autore di questa nota ha poi ricordato che il professor Spinelli si è lun


gamente e proficuamente impegnato al servizio della Società Chimica Italiana:

è stato infatti Presidente della Divisione di Chimica Organica (1993-

1995) e successivamente dapprima vice Presidente (1996-1998) ed infine

Presidente nazionale (1999-2001) della Società. Attualmente è membro

del Collegio dei Probiviri della Società in qualità di past-President.

Nel corso di questi anni numerose sono le iniziative da lui avviate o portate

a compimento, basti ricordare l’istituzione dello Sigma-Aldrich

Young Chemists Symposium, giunto oramai alla dodicesima edizione

con sempre crescente successo, ed il rafforzamento sulla scena internazionale

delle attività editoriali della Società Chimica Italiana.

Membro di numerose associazioni scientifiche e culturali nazionali ed

estere, ha ricevuto numerosi riconoscimenti, premi e medaglie tra cui il

“Sigillum Magnum” dall’Università di Palermo e la medaglia d’oro “Angelo

Mangini” della Divisione di Chimica Organica della SCI.

La medaglia d’oro “Domenico Marotta” della SCI gli è stata attribuita nel

2003 in riconoscimento della sua preziosa attività organizzativa volta a

diffondere la cultura chimica ed infine nel 2007 ha ricevuto il sigillo d’oro

della SCI.

Ed è anche per ringraziare pubblicamente il professor Spinelli per questo

suo straordinario impegno al servizio della comunità chimica nazionale

che la Sezione Liguria della SCI ha sentito il dovere, oltre che il piacere,

di organizzare questo incontro.

Il professor Giovanni Petrillo, del Dipartimento di Chimica e Chimica

Industriale dell’Università di Genova, nel suo intervento intitolato “Tiofene

mon Amour” ha ricordato la passione del professor Spinelli per gli

eterocicli, come testimoniato dal titolo di una sua recente conferenza:

“Fifty years playing at opening and closing heterocycles”. Il professor

Petrillo ha così ripercorso le tappe di questa avventura scientifica del

professor Spinelli iniziata con la reazione di cine-sostituzione sul 3,4-dinitrotiofene

e poi dipanatasi in collaborazione con i già citati professori

Giuseppe Leandri, Carlo Dell’Erba, Marino Novi e in seguito con i professori

Giovanni Petrillo, Fernando Sancassan e Angelo Mugnoli, anche

quest’ultimo ormai non più tra noi, ed i loro più giovani collaboratori. E

così investigando il comportamento benzenoide e non-benzenoide di

tiofeni nitrosostituiti si è giunti a prodotti, derivanti dall’apertura d’anello,

di tipo nitro- o dinitro-butadienico che non solo si sono rivelati utili ed

interessanti building blocks ma che possiedono interessanti proprietà

farmacologiche, come dimostrato da test di attività antitumorali condotti

in vitro ed in vivo. In questo ambito è risultata preziosa la collaborazione

con il gruppo del dottor Maurizio Viale dell’IST di Genova.

Nel suo intervento il professor Petrillo ha voluto sottolineare l’entusiasmo

che il professor Spinelli ha sempre trasmesso ai suoi più giovani collaboratori:

entusiasmo ed ottimismo, ma anche rigore scientifico ed apertura

alla collaborazione con colleghi di altre discipline, e forse queste sono

le lezioni più importanti impartite dal professor Spinelli.

È stata quindi la volta del professor Giuseppe Guanti del Dipartimento di

Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Genova, anche lui nato a

Bari e soprattutto laureando del professor Spinelli all’Università di Bari,

che ha tracciato una sorta di parallelo tra Genova e Bari intersecato con

le vite e l’attività scientifica degli allora giovani baresi (Spinelli, Dell’Erba e

lo stesso Guanti) che seguirono il professor Leandri a Genova (anche se

in pratica il professor Spinelli giunse a Genova per primo, inviato in avanscoperta

dal professor Leandri).

Nel corso di un lungo e complesso intervento il professor Guanti ha toccato

aspetti tra loro diversissimi in qualche modo collegati dal predetto

parallelo: dagli ordinamenti didattici alle strutture universitarie d’allora, dai

primi tentativi di apprendere tecniche strumentali emergenti al desiderio

di aprirsi ad esperienze all’estero, ma anche relativi alla storia ed all’urbanistica

della città di Bari, illustrando anche i cambiamenti epocali che si

sono registrati nel corso di questi ultimi cinquant’anni in tutti i settori,

dagli spostamenti (il primo viaggio Bari-Genova fu per lui quasi un’avventura)

alle comunicazioni, ma soprattutto i più importanti successi della

chimica in questi anni, selezionando una pietra miliare per ogni decennio.

Infine ha preso la parola, visibilmente commosso, il professor Spinelli il

quale, dopo aver ringraziato tutti i presenti e tutti quelli che gli hanno

inviato affettuosi, ed anche simpatici, auguri, ha proseguito dicendo che

la sua conferenza intitolata “1955 (1953) - 2012 A life with heterocycles:

nitrothiophenes and surroundings” era dedicata in particolare alla

memoria del professor Giuseppe Leandri e di Carlo, Angelo e Marino e

che loro non erano stati semplicemente maestro e collaboratori, rispettivamente,

ma soprattutto i suoi migliori amici e che il giorno in cui lui

giunse a Genova, il 29 gennaio 1962, rappresentò un punto di partenza

fondamentale. Ecco, citandole testualmente, le parole del professor Spinelli:

“Cercherò di parlare di una delle linee di ricerca sviluppate durante

i miei primi (?) 59 anni di attività di ricerca: una gran parte di essa è stata

condotta in collaborazione con Carlo (Dell’Erba, a partire dal 1960),

Geppino (Guanti, dal 1965), Marino (Novi, dal 1975), Gianni (Petrillo, dal

1988), Fernando (Sancassan, dal 1984) ed i loro collaboratori sotto la

guida del nostro Maestro Beppe Leandri.” E così il professor Spinelli ha

fatto, illustrando con il consueto entusiasmo le sue ricerche sui nitrotiofeni

e sottolineando i lusinghieri risultati ottenuti sia in ambito meccanicistico

che in quello sintetico per poi arrivare, nel recente passato, a esplorare

le interessanti proprietà di tipo biologico e farmacologico, come già

ricordato in precedenza dal professor Petrillo, di prodotti derivanti dall’apertura

dell’anello tiofenico opportunamente sostituito.

In conclusione dell’intervento il professor Spinelli ha nuovamente ringraziato

tutti, esprimendo la sua gioia e la sua emozione per aver ricevuto

una così grande manifestazione di affetto e stima da parte di così tanti

amici. La giornata è poi terminata con un brindisi augurale che ha coinvolto

tutti i presenti, e la commozione del professor Spinelli è divenuta

del tutto evidente sottolineando così la sua straordinaria sensibilità e la

sua grandissima carica di umanità. Ed infine a cena, in un ristorante caro

al professor Spinelli, a Boccadasse, antico borgo di pescatori che è un

angolo incontaminato e magico di Genova.

Grazie, carissimo Mimmo, per l’affettuosa amicizia che hai sempre dimostrato

a noi chimici organici genovesi ed ancora tantissimi auguri da

parte di tutti.

Una fotogallery della giornata è visibile nel sito web della Sezione Liguria

della SCI (www.chimica.unige.it/sci/) alla pagina “News”.

Nov./Dic. ‘12 95

ATTUALITÀ


96

CHIMICA &

GEI ERA 2012

GEI ERA 2012:

LE SFIDE DELL’ELETTROCHIMICA

Cari Lettori/Lettrici de La Chimica e l’Industria,

anche quest’anno l’“elettrochimica” è stata il cuore di “GEI ERA 2012”,

il convegno congiunto tra “Giornate dell’Elettrochimica Italiana” ed

“Elettrochimica per il Recupero dell’Ambiente” tenutosi a Santa Marina

Salina lo scorso giugno. Mare trasparente, incantevoli pareti rocciose

lavorate dalle forze della natura, ridenti spiaggette e centri abitati

dalle tipiche casette bianche di un’accogliente isola eoliana hanno

fatto da cornice alle Giornate dell’Elettrochimica, durante le quali i 124

partecipanti hanno avuto occasione di discutere e confrontarsi sui

recenti sviluppi in ambito energetico ed ambientale. In particolare,

sono state discusse le novità in tema di elettrodeposizione di film sottili

per applicazioni energetiche, sensoristica elettrochimica, materiali

nanostrutturati e dispositivi avanzati per la conversione e l’accumulo

elettrochimico dell’energia, passività dei metalli e dei semiconduttori,

modificazioni superficiali, elettrosintesi e modelli teorici.

L’organizzazione del convegno è stata affidata ai ricercatori dell’Istituto

CNR ITAE “Nicola Giordano”, per i quali l’elettrochimica ricopre un

ruolo strategico nelle scienze applicate. Sull’elettrochimica, di fatto, è

basata la realizzazione e la diffusione di nuove tecnologie energetiche

ecocompatibili, come le celle a combustibile di diversa generazione, i

Nov./Dic. ‘12

Aldo Magistris

Presidente Divisione di Elettrochimica della SCI

Massimiliano Lo Faro, Vincenzo Baglio, Catia Cannilla

Comitato Organizzatore

sistemi di accumulo elettrochimico di energia come supercapacitori e

batterie e i sistemi di produzione di idrogeno, inteso come vettore

energetico, come ad esempio gli elettrolizzatori.

Le lezioni magistrali, tenute da Aldo Magistris, Panagiotis Tsiakaras,

Dario Compagnone, Giovanni Sotgiu, Ignacio Sirés Sadornil, Natale

Massimo Caminiti e Gaetano Cacciola, hanno fornito ampi spunti di

riflessione sulle strategie di ricerca ed innovazione per l’elettrochimica

italiana, sulle misure e gli incentivi da adottare per il raggiungimento

degli obiettivi nazionali di riduzione dei gas serra, di produzione di

energia rinnovabile e di risparmio energetico, ma sono anche state

occasione di analisi e studio delle potenzialità esistenti nei gruppi di

ricerca operanti in ambito elettrochimico.

In un contesto in cui emerge una crescente domanda di energia ed è

necessario soddisfare tale domanda mediante un approccio sostenibile,

accanto ai tradizionali processi di combustione o di trasformazione

termo-meccanico-elettrica, sono in fase di sviluppo tecnologie

innovative basate su processi elettrochimici per la produzione, la trasformazione

e l’accumulo dell’energia. Le parole chiave sono elevata

efficienza, bassa rumorosità e basso impatto ambientale. A tal proposito,

è emerso come importanti sviluppi siano già stati ottenuti nel set-


tore del fotovoltaico di terza generazione e nella realizzazione di dispositivi,

a livello di prototipo, per la produzione di idrogeno da fonti d’energia

rinnovabili e il loro impiego in abbinamento alle celle a combustibile

o con sistemi di accumulo energetico. Esempi concreti sono

stati presentati dal Gruppo Tozzi che, tramite la “TRE-Tozzi Renewable

Energy”, opera nel settore dell’elettrochimica e dell’ingegneria e

che dal 2006 ha avviato un’attività R&S focalizzata allo sviluppo di

sistemi di generazione distribuita da fonti rinnovabili, con particolare

riguardo alle nuove tecnologie e materiali per la produzione e lo stoccaggio

di energia elettrica.

Gli accumulatori litio-ione, che hanno giocato un ruolo chiave nello sviluppo

dell’elettronica portatile, da alcuni anni sono diventati di fondamentale

importanza nell’evoluzione energetica sostenibile, grazie alla

possibilità di impiegare tale tecnologia nel campo del trasporto, sia per

i veicoli ibridi plug-in sia per i veicoli elettrici. Tuttavia risulta ancora fondamentale

lo sviluppo di materiali innovativi sia per il comparto anodico

sia per quello catodico e lo studio di nuovi elettroliti atti ad incrementare

la sicurezza e le prestazioni dei dispositivi.

Accanto ai continui sviluppi delle tradizionali celle a combustibile si

assiste all’evoluzione delle celle microbiche (Microbial Fuel Cells) che

rappresentano, di fatto, una tecnologia innovativa per il recupero di

energia elettrica a partire da composti organici di scarto, quali reflui

industriali, agricoli o urbani. Di particolare interesse, inoltre, è lo sviluppo

di dispositivi foto-elettrochimici basati sulla combinazione di semiconduttori

e coloranti sensibilizzatori che ha subito un notevole impulso

a partire dal 2000 a seguito dell’introduzione delle celle solari a

colorante (dye-sensitized solar cells) o celle di Grätzel. Ad oggi la ricerca

in questo settore è focalizzata verso la definizione e la preparazione

di opportuni coloranti (complessi metallici o architetture organometalliche

nanometriche) i cui livelli di energetici soddisfino il prerequisito

di energy matching una volta ancorati sui fotoelettrodi proposti.

Nell’ottica dello sfruttamento globale della biomassa per lo sviluppo di

sistemi di conversione di energia a emissioni zero, anche l’uso di rifiuti

solidi urbani come alternativa ai combustibili fossili può diventare

strategico: il loro impiego infatti contribuirebbe positivamente sia alla

riduzione dell’effetto serra, sia alla diminuzione dei rifiuti stessi da

smaltire altrimenti. A tal proposito, il biogas (miscela di CH 4 e CO 2 ),

prodotto per digestione di substrati organici e di rifiuti in generale, rappresenta

un combustibile attraente per alimentare direttamente le celle

a combustibile ad ossidi solidi dotate di reforming interno (SOFC-IR).

Il lavoro sinergico di catalisti ed elettrocatalisti ha portato risultati

importanti nello sviluppo di materiali bifunzionali in grado di catalizzare

la reazione di reforming del metano con l’anidride carbonica e fungere,

allo stesso tempo, da materiale anodico della cella. Ciò pone le

basi per ulteriori miglioramenti dei dispositivi e, soprattutto, per l’individuazione

delle condizioni più adatte alla realizzazione di processi

integrati biogas/SOFC operanti a temperature di esercizio intermedie.

Senza contare poi che un’azienda tutta italiana, la SOFCPower, ha

avviato una linea di produzione di prototipi di sistema micro-CHP

murale per installazioni domestiche basate su celle a combustibile ad

ossidi solidi alimentate a gas naturale alla normale pressione di rete.

Un altro aspetto di particolare rilievo discusso durante il convegno

riguarda le regolamentazioni nazionali ed internazionali in materia di

proprietà merceologiche dei prodotti di varia natura e dei relativi processi

produttivi che, negli ultimi anni, sono diventati sempre più stringenti.

In tale contesto, l’impiego della sensoristica amperometrica

risulta cruciale, mostrando importanti vantaggi nella determinazione

quali/quantitativa di analiti, grazie alle alte prestazioni raggiunte in termini

di limiti di rilevabilità, intervallo di linearità, selettività e possibilità di

impiego diretto di matrici complesse senza la necessità di pretrattamenti

preventivi. La sensoristica elettrochimica (o bioelettrochimica)

rappresenta, di fatto, uno strumento di grande utilità per il monitoraggio

della qualità degli alimenti. La velocità di analisi, il basso costo, la

semplicità costruttiva e di impiego dei metodi elettroanalitici rendono

tali tecniche particolarmente attraenti nelle diverse aree di controllo

della qualità degli alimenti quali, ad esempio, l’individuazione di marker

di qualità, lo screening di xenobiotici (contaminanti, pesticidi) e il controllo

dei processi di produzione.

In conclusione, GEI ERA 2012 è stata l’occasione per affermare ancora

una volta come le tematiche dell’elettrochimica siano oggetto di

interesse da parte di ricercatori e di industrie di diverse aree scientifiche.

Sebbene spesso sviluppate in aree geografiche e culturali anche

diverse fra di loro, le conoscenze e le competenze possono fondersi

mediante lo scambio e la cooperazione, certamente favoriti dallo

splendido panorama dell’arcipelago delle isole Eolie, per dare impulso

ad azioni e politiche nuove e poter così raccogliere le nuove ed importanti

sfide della nostra moderna società.

Nov./Dic. ‘12 97

GEI ERA 2012


98

CHIMICA &

GEI ERA 2012

Nuovi materiali fotovoltaici

Negli ultimi anni la necessità di soddisfare la crescente domanda di

energia è stata affiancata dalla richiesta di uno sviluppo tecnologico

maggiormente sostenibile. Per questo motivo la diffusione delle energie

rinnovabili è diventata una priorità per le comunità scientifiche e per le

politiche internazionali. Tra le varie fonti di energia pulita l’energia solare

è attualmente la più abbondante: la potenza emanata dal Sole intercettata

dalla Terra è circa 1,8×1011 MW, valore decisamente maggiore

rispetto al presente consumo energetico terrestre, e per questo motivo

la tecnologia fotovoltaica è uno dei modi migliori per sfruttare l’energia

solare [1]. Questo richiede da parte della ricerca un continuo sviluppo

di nuove tecnologie finalizzate all’abbattimento dei costi e all’ecocompatibilità.

Il mercato sta progressivamente accogliendo i più recenti dispositivi

fotovoltaici realizzati secondo

una tecnologia a film sottile, che garantisce

l’utilizzo di una piccola quantità di

materiale fotoattivo determinando perciò

una riduzione di costi rispetto alle celle

solari di prima generazione a base di silicio

monocristallino e policristallino.

Le attuali celle solari a film sottile sono

realizzate con CdTe e calcogenuri, quali

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) e CuInS2 , caratterizzati

da un’elevata efficienza di conversione

dell’energia, rispettivamente di

18,8% e 16,5% [2, 3]. Il problema di

queste tecnologie è legato alla scarsa

reperibilità delle materie prime, che fa lievitare

i costi di produzione, compromet-

Nov./Dic. ‘12

Ilaria Bencistà

Gruppo di Elettrochimica

Dipartimento di Chimica

Università di Firenze.

ilaria.bencista@unifi.it

ELETTROCHIMICA

E FOTOVOLTAICO

La sintesi elettrochimica di film sottili di solfuri a base di Cu, Sn, Zn, e Fe, elementi largamente disponibili ed a basso costo,

sta ricevendo un interesse scientifico crescente per la possibilità di realizzare materiali fotovoltaici potenzialmente applicabili

su larga scala.

Fig. 1 - Disponibilità ambientale e costo di alcuni elementi

tendone l’utilizzo su larga scala. Questo dato è confermato dall’andamento

riportato in Fig. 1, dove viene mostrata l’abbondanza e il costo

di alcuni elementi necessari per la realizzazione di moduli fotovoltaici a

film sottile. È importante osservare che viene riportata una scala di valori

logaritmica. La limitata disponibilità degli elementi che costituiscono le

celle CdTe e CIGS è la causa principale dell’elevato costo di questi

dipositivi. Esistono inoltre preoccupazioni in merito alla tossicità di Cd e

quindi alla modalità di smaltimento dei componenti di CdTe [4].

Per questi motivi la ricerca scientifica sta spostando l’attenzione verso

altri materiali, soprattutto altri calcogenuri, da poter utilizzare come celle

solari, svincolandosi da queste problematiche. Un materiale promettente,

candidato a costituire celle solari a film sottile di nuova generazione,

è rappresentato da Cu2ZnSnS4 (CZTS) [5], solfuro quaternario con

struttura cristallografica della kesterite e

con proprietà elettroniche simili a quelle

del CIGS, che include elementi come

Cu, Sn, Zn, e S, decisamente più economici

e a basso impatto ambientale

(Fig. 1). Alcuni dispositivi sono già stati

sviluppati dall’IBM fornendo buoni valori

di efficienza energetica (circa 10%) [6].

L’attività di ricerca in corso presso il

gruppo di Elettrochimica del Dipartimento

di Chimica dell’Università di Firenze è

finalizzata alla realizzazione di film sottili

costituiti da semiconduttori di vario interesse

tecnologico, considerando la

composizione del CZTS come riferimento

primario.


Elettrodeposizione di semiconduttori:

la tecnica ECALE

I semiconduttori di interesse tecnologico sono generalmente sintetizzati

tramite metodi di solidificazione ad alta temperatura, in fase vapore o tramite

metodi in alto vuoto. La possibilità di produzione tramite metodi più

facili e maggiormente economici, come ad esempio a partire da soluzioni

acquose, è un aspetto da considerare. L’elettrochimica si rivela particolarmente

adeguata a soddisfare queste nuove esigenze garantendo un

costo minore grazie alla strumentazione piuttosto semplice, alle temperature

di lavoro generalmente basse, e alla possibilità di controllare accuratamente

i parametri sperimentali [7].

Quindi la sintesi e lo studio approfondito di nuovi composti semiconduttori

si fonda anche su nuove tecnologie elettrochimiche e, a questo

scopo, risulta particolarmente indicata la tecnica Electrochemical Atomic

Layer Epitaxy (ECALE) [8]. Questo temine è riferito ad un metodo che

determina una crescita epitassiale del composto rispetto al supporto, tramite

deposizione di monostrati atomici. Limitare la deposizione a singoli

strati atomici è possibile utilizzando tecniche di elettrodeposizione autolimitanti,

ovvero limitate dalla superficie del substrato metallico usato come

elettrodo. Allo scopo è possibile sfruttare un importante fenomeno elettrochimico,

denominato Underpotential Deposition (UPD), che permette la

deposizione di un elemento ad un potenziale che precede il valore di

potenziale di Nernst o che comunque precede la deposizione massiva,

che è la deposizione dell’elemento su se stesso.

Questo fenomeno si verifica quando l’elemento da depositare interagisce

in maniera attrattiva con il substrato, così che la deposizione del primo

strato a diretto contatto con il substrato è energeticamente favorita. Il

fenomeno è limitato dalla superficie, in quanto una volta depositato il

primo strato vengono a mancare i presupposti per la deposizione anticipata.

Il risultato di una deposizione UPD è dunque la formazione di un

monostrato atomico che tende a mantenere la morfologia del substrato.

Se poi il substrato usato come elettrodo ha una struttura ben definita e

ordinata, come nel caso in cui si utilizzi una particolare faccia di un monocristallo,

il deposito ottenuto ne mantiene anche la struttura e la deposizione

diventa anche epitassiale.

Le deposizioni UPD sono particolarmente utili per ottenere film sottili di

composti. Infatti la formazione di un composto dai suoi costituenti è un

processo energeticamente favorevole e quando si deposita un elemento

su un secondo elemento con il quale tende a formare un composto si

verificano le condizioni attrattive che determinano la deposizione UPD.

Perciò, alternando le UPD di elementi che costituiscono un composto è

possibile ottenere una crescita strato-per-strato.

Il principale vantaggio di questa tecnica risiede nella possibilità di scegliere

il numero di cicli di deposizione in modo da esercitare un accurato controllo

dello spessore, della composizione e della morfologia del film che si

vuole ottenere, come spesso è richiesto nella preparazione di materiali

nanostrutturati. Il metodo richiede la regolazione di molti parametri sperimentali

come il pH, i reagenti, le concentrazioni, il tempo di deposizione,

l’uso di agenti complessanti in modo da avere la possibilità di scegliere

potenziali adeguati alla deposizione controllata del composto.

Fig. 2 - Composti realizzati dal gruppo di Elettrochimica tramite ECALE

e corrispondenti riferimenti bibliografici

La ricerca del gruppo di Elettrochimica dell’Università degli studi di Firenze

da anni è rivolta allo sviluppo di materiali nanostrutturati con la tecnica

ECALE [9-14] che ha permesso di ottenere superfici modificate con nanostrutture

di diverso tipo come monostrati atomici, film sottili e clusters da

impiegare in vari campi tecnologici. In particolare sono già stati preparati

dal nostro gruppo solfuri o seleniuri binari di molti metalli come quelli riportati

in Fig. 2. Nonostante la preparazione di film sottili di solfuri metallici per

elettrodeposizione sia antitetica all’usuale tecnica di crescita da fase gassosa,

i risultati di caratterizzazione morfologica e strutturale dei semiconduttori

ottenuti hanno mostrato un basso livello di contaminazione e una

struttura costante e definita a partire dai primi strati atomici depositati.

In particolare misure elettrochimiche e strutturali con SXRD condotte su

diversi composti studiati presso il sincrotrone di Grenoble hanno proprio

evidenziato come la tecnica di deposizione ECALE permetta la crescita di

film con struttura continua e regolare. Per questo motivo si è pensato di

ottenere composti ternari e quaternari come la kuramite (Cu 3 SnS 4 ) e la

kesterite (Cu 2 ZnSnS 4 ), tramite la deposizione sequenziale dei solfuri binari

di base, come mostrato dalla rappresentazione di Fig. 3.

La crescita dei solfuri metallici è stata realizzata sfruttando un sistema di

deposizione completamente automatizzato e computerizzato, realizzato

presso i laboratori del Dipartimento di Chimica dell’Università di Firenze,

Fig. 3 - Rappresentazione schematica della sequenza di deposizione ECALE

degli elementi S, Cu, e Sn per ottenere la crescita di film sottili del composto

ternario Cu x Sn y S z su Ag(111)

Nov./Dic. ‘12 99

GEI ERA 2012


100

CHIMICA &

GEI ERA 2012

che permette di controllare l’ingresso delle soluzioni contenenti gli elementi

da depositare e il loro tempo di permanenza nella cella, l’ingresso

di una soluzione di lavaggio tra due deposizioni successive e la variazione

del potenziale applicato all’elettrodo di lavoro. L’apparato strumentale

comprende una serie di bottiglie di vetro pyrex contenenti le soluzioni, collegate

ad un sistema di distribuzione e ad una serie di elettrovalvole che

permettono di controllare il trasferimento delle soluzioni ad una cella elettrochimica

a flusso a tre elettrodi. L’elettrodo di lavoro è un monocristallo

di Ag(111), l’elettrodo di riferimento è Ag/AgCl saturo e il controelettrodo

è costituito da una lamina di Au. Il sistema è connesso ad un computer

che gestisce l’apertura e la chiusura delle valvole tramite un sistema

pneumatico e che controlla l’applicazione dei potenziali voluti secondo

protocolli operativi gestiti da software appositamente sviluppato (Fig. 4).

Studio del comportamento

elettrochimico degli elementi S, Cu, Sn, Zn

Il metodo ECALE prevede di alternare deposizioni UPD dei singoli componenti

di un composto da depositare. La preparazione dei solfuri binari

e ternari di Cu, Sn e Zn rappresenta una fase preliminare importante

per lo studio della crescita degli elementi su Ag(111) per poi raggiungere

l’obiettivo finale di sintetizzare il composto quaternario di riferimento

CZTS. Nella fase iniziale si rivela quindi necessario uno studio approfondito

del comportamento elettrochimico delle soluzioni contenenti gli elementi

precursori del composto.

In Fig. 5 si riportano i voltammogrammi ciclici delle soluzioni contenenti

gli elementi S, Cu, Sn e Zn. Sfruttando la deposizione UPD, è possibile

ottenere la crescita di un monostrato di S su Ag(111) applicando un

potenziale di -0,68 V per 60 s in una soluzione di Na 2 S in tampone

ammoniacale a pH 9,6 [10]. Procedendo verso valori di potenziale più

positivi di -0,68 V la deposizione di S diventa massiva. Per quanto riguarda

il comportamento elettrochimico dei precursori metallici, sono state

analizzate tre soluzioni in tampone ammoniacale pH 9,6, rispettivamente

contenenti 0,5 mM CuCl 2 , 0,5 mM SnCl 2 + 1 mM Na 2 EDTA, e 0,5 mM

ZnSO 4 . I voltammogrammi riportati sono stati ottenuti tramite scansione

lineare di potenziali di ogni soluzione su il substrato di Ag(111) preceden-

Fig. 4 - Sistema automatizzato di deposizione del Dipartimento di Chimica

(Università degli Studi di Firenze)

Nov./Dic. ‘12

temente coperto da un monostrato atomico di S. È stato quindi possibile

depositare una quantità controllata di ogni metallo sul supporto in

esame, selezionando in maniera opportuna il potenziale (che sarà quindi

più positivo rispetto all’inizio della deposizione massiva dell’elemento)

in modo da garantire condizioni di deposizione UPD [10, 15].

Sintesi e caratterizzazione dei composti

Una volta definite le condizioni ottimali di deposizione degli elementi, è

stata realizzata la crescita di composti binari e ternari sotto forma di film

sottili tramite deposizione alternata dei singoli strati atomici, variando il

numero di cicli di deposizione per ottenere film di spessore variabile.

L’interesse è stato inizialmente esteso anche alla crescita di composti

binari come CuS, ZnS e SnS, che sono semiconduttori di elevato interesse

tecnologico. ZnS è un semiconduttore di tipo n con bandgap di 3,7

eV. Questo materiale sta richiamando un grande interesse scientifico a

causa delle sue proprietà che permettono di ipotizzare potenziali applicazioni

nello sviluppo tecnologico di celle solari, sensori, display e catalizzatori

[16]. Anche Cu x S è un materiale noto per le sue proprietà opto-elettroniche

[17]. Strati sottili di Cu x S presentano trasmittanza nel campo dell’infrarosso,

bassa riflettanza (15%) nella regione dell’infrarosso [18]. La crescita

di entrambi i composti binari sulla superficie di Ag è stata effettuata tramite

ripetizioni di n cicli di deposizione degli elementi Zn/S e Cu/S a partire

dalle loro soluzioni. Dalla misura della carica coinvolta nel processo di

stripping ossidativo dei metalli e di stripping riduttivo di S, è stata misurata

la quantità di carica coinvolta nel processo e, conseguentemente, la

quantità di materiale precedentemente depositato all’elettrodo. I calcoli

sulla carica coinvolta nella fase di stripping al variare di n, indicano un

andamento lineare che conferma una crescita strato per strato di entrambi

i composti e un rapporto Zn/S e Cu/S pari a uno [10, 15]. Per quanto

riguarda Cu x S, è importante la valutazione stechiometrica del composto,

a causa del cambiamento delle sue proprietà a seconda del valore numerico

di x [19-22]. Misure XPS condotte su campioni di Cu x S depositato

su Ag(111) hanno confermato il risultato ottenuto tramite misure elettrochimiche

evidenziando la presenza della fase covellite e quindi compro-

Fig. 5 - Voltammogrammi ciclici delle soluzioni

contenenti gli elementi S, Sn, Zn e Cu


vando l’ottenimento di CuS [23]. Il solfuro di stagno

SnS ha suscitato particolare interesse come fotoconduttore

a bassa tossicità [24] per la fabbricazione

di apparecchi per la conversione dell’energia

fotoelettrica e materiali di rivelazione del vicino-infrarosso.

I bandgap per film di SnS sono vicini al valore

di 1,35 eV che è ideale per l’assorbimento dello

spettro di radiazione solare in celle solari a singola

giunzione [25]. Il nostro gruppo ha condotto uno studio

elettrochimico che ha permesso di arrivare alla definizione delle condizioni

sperimentali di crescita ECALE dei primi strati di Sn x S y . In seguito

allo studio dei comportamenti elettrochimici delle soluzioni contenenti S,

Cu e Sn, sono state combinate le informazioni sulle condizioni di elettrodeposizione

degli elementi per ottenere un film sottile di solfuro ternario

Cu x Sn y S z (Fig. 6). Anche in questo caso è possibile definire una crescita

strato per strato del composto ternario. Tramite misure di spettroscopia

di riflettenza diffusa è stato possibile calcolare il bandgap del film, che

oscilla tra 2,12 e 2,43 eV, con valori che dipendono dal rapporto Cu/Sn

e dallo spessore del film. In particolare, all’aumentare dello spessore del

film, il valore del bandgap diminuisce. Questa proprietà è considerata

come una conseguenza di effetti quantici: infatti, le proprietà dei materiali

variano radicalmente quando lo spessore del film è di dimensione nanometrica.

Su tutti i depositi ottenuti sono state effettuate misure di microscopia

a forza atomica, che hanno evidenziato immagini topografiche

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Electrochemistry and photovoltaic

Fig. 6 - Film sottile di Cu x Sn y S z su Ag(111)

molto simili a quelle del supporto di Ag(111), dimostrando

come la tecnica ECALE permetta di ottenere depositi

superficiali che mantengono la stessa morfologia

della superficie sottostante [15, 23].

Conclusioni e prospettive future

Il risultato principale di questo studio è che ECALE

consente di modificare opportunamente la sequenza di

deposizione e il numero di cicli per ottenere film sottili

di Cu x Sn y S z con diversa composizione e spessore, modificando con

precisione il bandgap in base al dispositivo di destinazione. Gli studi

attualmente in corso sono finalizzati all’ottenimento del composto di riferimento

CZTS sotto forma di film sottile su Ag(111), con l’obiettivo di studiarne

le caratteristiche ottiche in maniera tale da individuare la possibile

composizione ottimale per ottenere la massima efficienza di conversione

dell’energia. Gli sviluppi futuri saranno incentrati sulla realizzazione

di questi composti su substrati diversi come ad esempio vetri conduttivi

trasparenti, in modo da realizzare dei prototipi di celle solari, che verranno

conseguentemente studiati per definire i principali parametri di cella.

Ringraziamenti: Si ringrazia la Divisione di Elettrochimica della

Società Chimica Italiana e la Photo Analytical Srl per il premio di laurea

attribuito a questo lavoro di tesi, la Bluclad Srl e la Gabbrielly Technology

Srl per il finanziamento alla ricerca.

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24, 879.

[24] G.H. Yue et al., Journal of Alloys and Compounds, 2009,

474, 445.

[25] P.A. Nwofe et al., Physics Procedia, 2012, 25, 150.

ABSTRACT

Cu2SnZnS4-type compounds have attracted interest from worldwide researchers as low cost and high conversion efficiency solar cell devices. In fact,

bandgap energy and absorption coefficient exhibited by these materials make them appropriate for photovoltaic applications. We exploited alternated

electrodeposition of Cu, Sn, Zn and S by ECALE to obtain sulfide thin films on silver substrate, controlling the growth of the structures at the nanometric level.

Nov./Dic. ‘12 101

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Impianto stand alone Tozzi Nord (St. Alberto-Ravenna)

ELETTROCHIMICA E FONTI

ENERGETICHE RINNOVABILI

La transizione da un sistema energetico basato quasi esclusivamente sui combustibili fossili ad uno alimentato da una miscela

di fonti energetiche (fossili, rinnovabili) richiede lo sviluppo di un nuovo modello di sistema distribuito e smart. Nel testo vengono

descritte le linee di ricerca nel settore dell’elettrochimica applicata ai sistemi di generazione distribuita da fonti rinnovabili condotte

dal Gruppo Tozzi. In particolare, vengono descritte le ricerche condotte nel settore del fotovoltaico di terza generazione, dell’eolico

di piccola taglia, della realizzazione di dispositivi prototipali per la produzione di idrogeno da fonti di energia rinnovabili

con tecnologia proprietaria e loro successivo utilizzo con celle a combustibile e dell’accumulo energetico in sistemi isolati.

La crescita della domanda di energia elettrica e la necessità di

produrla sempre più da fonti rinnovabili sono le due principali

motivazioni alla base del continuo sviluppo della green economy.

In questo contesto, si inseriscono le ricerche condotte

dal Gruppo Tozzi nel settore dell’elettrochimica e dell’ingegneria.

Infatti, il gruppo Tozzi, attivo nel settore impiantistico elettromeccanico,

opera, tramite la sua controllata TRE - Tozzi Renewable Energy, da

oltre 20 anni nel settore delle energie rinnovabili.

In particolare, essa sviluppa, realizza, gestisce e vende energia elettrica

da oltre 400 MW di impianti idroelettrici, eolici, fotovoltaici. A partire

dal 2006, TRE ha avviato il settore ricerca e sviluppo (R&S) che

opera sui sistemi di generazione distribuita da fonte rinnovabile (vedi

Nov./Dic. ‘12

Rosa Bonelli, Ruben Ornelas, Francesco Matteucci,

Gianpaolo Cimatti, Michele Rialti

R&S Gruppo Tozzi

rosa.bonelli@tozziholding.com

Fig. 1). In particolare, per sistemi di generazione distribuita si intendono

sistemi di piccola taglia (non esiste una definizione univoca dell’intervallo

di potenze di tali sistemi) distribuiti in più punti del territorio (a

differenza delle poche centrali elettriche di produzione di grande taglia)

e vicini al punto di consumo dell’energia.

Le ricerche condotte dal Gruppo Tozzi riguardano lo sviluppo di tecnologie

e materiali per la produzione e lo stoccaggio di energia elettrica

da fonte rinnovabile e lo sviluppo di sistemi che integrino le diverse

tecnologie.

In dettaglio, per quanto riguarda sia la produzione che lo stoccaggio

dell’energia, il settore R&S di Tozzi opera nel settore elettrochimico

(celle DSSC, elettrolizzatori e fuel cell, batterie).


Fig. 1 - Schema di un sistema di generazione distribuita che impiega fonti rinnovabili

Celle fotovoltaiche foto-elettrochimiche

(DSSC, dye sensitized solar cell)

Nel 2006 il Gruppo Tozzi ha deciso di avviare un progetto di ricerca

volto a produrre dispositivi fotovoltaici per applicazioni nel mercato del

BIPV (building integrated photovoltaics) tramite la sua controllata Daunia

Solar Cell (vedi Fig. 2). La scelta di sviluppare quali dispositivi fotovoltaici

quelli elettrochimici (di seguito DSSC - dye sensitized solar cell)

è stata dettata dal fatto che tali dispositivi hanno caratteristiche peculiari

in termini di semitrasparenza, spessore estremamente contenuto,

modulazione del colore e una limitata dipendenza dall’angolo di incidenza

della luce. Tali peculiarità consentono un’agevole ed efficiente

integrazione delle DSSC in pareti verticali di edifici, nonché l’utilizzo in

ambienti chiusi caratterizzati dalla presenza di luce diffusa. Dal punto

di vista tecnico il progetto Tozzi prevede lo sviluppo non solo di una

linea di produzione DSSC vetro su vetro, ma anche di alcuni materiali

costituenti le DSSC: in dettaglio una pasta di nano-TiO 2 , il sigillante

vetroso e il mediatore elettronico. Differentemente dalle celle solari tradizionali,

basate sull’esclusivo utilizzo di materiali semiconduttori allo

stato solido, nelle DSSC la produzione di energia elettrica avviene in

virtù di una reazione foto-elettrochimica di ossido-riduzione innescata

dall’assorbimento della radiazione solare da parte del colorante fotosensibilizzatore.

Nella sua configurazione più semplice una DSSC è costituita da un

elettrodo trasparente di vetro conduttore rivestito di uno strato di TiO 2

nanocristallino mesoporoso alla cui superficie sono adsorbite le molecole

di colorante (dye). Il sistema costituito dall’ossido di titanio nanocristallino

e dal colorante rappresenta l’elettrodo di lavoro o foto-elettrodo.

Il contro-elettrodo è generalmente costituito da un vetro conduttivo

rivestito da un sottile film di platino che funge da catalizzatore

elettrochimico. I due elettrodi vengono separati con un opportuno

sigillante e lo spazio tra loro è riempito con un elettrolita liquido, generalmente

contenente la coppia redox I - /I 3 - (ioduro/tri-ioduro).

Il principio di funzionamento ideale (senza considerare

gli effetti della ricombinazione) di una

DSSC può essere descritto mediante la rappresentazione

schematica delle reazioni foto-elettrochimiche

che avvengono all’interno del dispositivo

(vedi Fig. 3):

1) il dye è deputato all’assorbimento di luce

solare. In seguito all’assorbimento di un fotone,

un elettrone del dye è promosso al livello energetico

eccitato (indicato con Dye*);

2) il forte accoppiamento spaziale ed elettronico

tra colorante adsorbito ed il semiconduttore

genera l’iniezione dell’elettrone nel semiconduttore,

seguito dalla diffusione dell’elettrone stesso

nel semiconduttore;

3) il semiconduttore forma con la parte conduttiva

del vetro (coating di ossido di stagno drogato

con indio-FTO) una giunzione metallo-semiconduttore,

che permette il trasferimento degli elettroni all’FTO, e

quindi al circuito esterno;

4) il livello di Fermi dell’FTO risulta maggiore del potenziale elettrochimico

della coppia redox ioduro/triioduro, quindi il carico elettrico collegato

ai due elettrodi della cella è soggetto ad una differenza di

potenziale pari alla differenza dei due livelli di Fermi (il livello di Fermi

del contro-elettrodo corrisponde al potenziale elettrochimico della

coppia redox) ed è quindi interessato da un flusso di elettroni. Il contro

elettrodo a questo punto vede un eccesso di elettroni che viene

restituito al sistema tramite reazione redox;

5) il colorante ossidato, ovvero con un elettrone in meno, viene rigenerato

dallo ioduro presente nell’elettrolita.

Elettrolisi PEM

L’elettrolisi dell’acqua e l’idrogeno sono parte del futuro del sistema

energetico basato su fonti rinnovabili. L’elettrolisi è un processo ben

noto che converte l’acqua in idrogeno ed ossigeno mediante l’utilizzo

Fig. 2 - DSSC su supporto vetroso: cella da 150 cm 2 sviluppata da Daunia Solar Cell

Nov./Dic. ‘12 103

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 3 - Schema di funzionamento di una cella DSSC

di energia elettrica ed è l’unica tecnologia che consente di produrre

idrogeno da qualsiasi fonte di energia primaria che può essere utilizzata

per generare energia elettrica. Allo stato attuale esistono due

tipologie di elettrolizzatori: gli alcalini, che utilizzano soluzioni di KOH e

i tecnologicamente meno maturi elettrolizzatori PEM e SOE, che utilizzano

rispettivamente membrane polimeriche (analoghe a quelle utilizzate

per le fuel cell PEM (PEMFC) e ceramiche (analoghe alle

SOFC). La tecnologia alcalina è ormai matura e viene utilizzata per la

produzione di idrogeno per applicazioni stazionarie con pressioni operative

fino a 25 bar. Nel confronto tra le tecnologie, i vantaggi degli elettrolizzatori

polimerici derivano dall’assenza di un liquido corrosivo

(KOH), una maggiore compattezza, maggiore densità di corrente e,

teoricamente, pressioni operative più elevate. I limiti di questa tecnologia

sono però quelli tipici di una tecnologia in fase di R&S: tempo di

vita e costi. Il principio di funzionamento è illustrato in Fig. 4.

Un ulteriore vantaggio nel loro sviluppo è la sinergia di sviluppo con le

analoghe PEMFC. Materiali, architetture e problematiche sono simili e

la loro risoluzione per una tecnologia ne determina l’avanzamento

anche per l’altra. Per queste motivazioni Tozzi, in collaborazione con il

CNR-ITAE, ha proceduto allo sviluppo di una tecnologia proprietaria a

basso costo e massima efficienza che possa permettere di affrontare il

mercato della produzione energetica locale senza alcun impatto

ambientale. Il lavoro è stato svolto seguendo prima lo sviluppo di materiali

(Fig. 5a) [1-4] e poi il disegno e costruzione del sistema di elettrolisi

PEM [5] (Fig. 5b). Le prestazioni ottenute sono riportate nella Fig. 5c.

Fuel cell PEM

La cella a combustibile è un generatore elettrochimico alimentato con

un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o

aria) da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore.

Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle celle

a combustibile è rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas

esausti), che vanno continuamente rimossi dalla cella, non contengono

sostanze inquinanti. Con questa tecnologia, assieme alla produzio-

Nov./Dic. ‘12

ne d’idrogeno per via elettrolitica da rinnovabili si ottiene un ciclo di

produzione ed utilizzo dell’energia a zero impatto ambientale che consente

di sfruttare il potenziale energetico di comunità locali in modo

sostenibile. In questo caso lo sviluppo della tecnologia proprietaria

Tozzi è iniziata, in collaborazione con il CNR-ITAE, con la selezione e

l’ottimizzazione dei componenti elettro-attivi disponibili in commercio,

passando alla progettazione (Fig. 6a) e alla caratterizzazione (Fig. 6b)

dello stack PEMFC e successivamente al disegno e costruzione di un

sistema di potenza da 1 kW (Fig. 6c).

Sistemi in isola (stand-alone)

Il Gruppo Tozzi, attraverso la sua partecipata Tozzi Nord, nell’ambito

delle applicazioni per sistemi di generazione di energia elettrica a servizio

di utenze non connesse alla rete elettrica (per l’appunto “isolate”

o in isola) ha sviluppato una tecnologia di sistema nell’ambito del progetto

di ricerca denominato ACSSA cofinanziato attraverso la LP6/99

della Provincia Autonoma di Trento.

Fig. 4 - Schema di reazione di un elettrolizzatore PEM

Fig. 5 - a) MEA, cella singola e stack da 1 kW per elettrolisi PEM; b) disegno

e costruzione del sistema d’elettrolisi PEM da 1kW; c) prestazioni del sistema:

T=75 °C , 987 W @ 60 A, produzione H 2 : 270 L/h @ 60 A


Fig. 6 - a) Disegno, costruzione e caratterizzazione dello stack PEM FC da 1 kW;

b) prestazioni dello stack PEM FC da 1 kW; c) disegno e costruzione del sistema

PEM FC da 1 kW

La tecnologia sviluppata permette l’integrazione tra più fonti di energia

rinnovabile (ed eventualmente anche non rinnovabile) e forma un sistema

ibrido fotovoltaico/eolico con elevate prestazioni dotato di un sistema

di accumulo di tipo elettrochimico (vedi Fig. 7) che può essere utilizzato

per:

• creare una micro rete in isola, per affiancare tutte quelle applicazioni

in cui vengono normalmente impiegati gruppi elettrogeni al fine di

ridurre i costi di esercizio e manutenzione;

• creare un sistema di back-up per la rete elettrica in luoghi in cui la

disponibilità del servizio non sia adeguata.

Il sistema utilizza le seguenti tecnologie di conversione di energia da

FER:

• un aerogeneratore Tozzi Nord mod. TN 535 dalla potenza nominale

di 10 kW trifase equipaggiato con un’unità di controllo PLC mod.

PCD M 5540 della Saia;

• un sistema fotovoltaico modulare da 3,0 kWp installati sulla tettoia

fotovoltaica (avente anche funzione ombreggiante) sopra il modulo

container, espandibile fino 15 kWp mediante l’aggiunta di ulteriori

moduli a terra.

In aggiunta è prevista la coesistenza di un gruppo elettrogeno opzionale

(o la rete elettrica del distributore) gestito dalla logica interna degli

inverter rispettivamente per il funzionamento in modalità off-grid/backup.

L’intero sistema è alloggiato all’interno di un container ISO 20 piedi

dotato di coibentazione REI 60/REI 120. Il container dispone di due

locali distinti:

• locale tecnico al cui interno sono alloggiate le apparecchiature tecniche

ed il sistema elettrochimico di accumulo;

• locale di servizio al cui interno sono rese disponibili prese di servizio

per l’alimentazione di piccoli elettrodomestici.

Il carattere innovativo di tale sistema integrato risiede principalmente

nell’impiego delle più moderne tecnologie di conversione statica dell’energia

applicata non solo alla parte di sistema fotovoltaico ma

soprattutto alla parte del sistema eolico. L’aerogeneratore TN535, già

progettato e sviluppato interamente da Tozzi Nord, è stato infatti ulteriormente

rivisitato e verificato in tutte le sue componenti funzionali e

logiche al fine di permettere l’erogazione di potenza in funzione non

solo dell’intensità del vento ma anche e soprattutto in funzione della

curva di carico del sistema, influenzata dalle diverse sotto componenti,

quali il carico delle utenze, la quota assorbita/erogata dal sistema di

accumulo, la rete elettrica (back-up) o il gruppo elettrogeno.

Quanto sopra descritto presuppone lo stravolgimento delle strategie di

controllo originali dell’aerogeneratore, e con esse quindi anche alcuni

concetti funzionali e di carico agente sulla struttura pale-telaio-treno

elettromeccanico/controllo-torre-fondazione: solo un’intima conoscenza

della macchina, raggiunta in anni di progettazione e sviluppo di aerogeneratori,

permette di controllare tutte le variabili del sistema. La

gestione dei carichi può avvenire per mezzo delle seguenti funzionalità:

• “Diversion Load”: tale carico è attivato automaticamente quando la

turbina eolica e/o l’impianto fotovoltaico stanno funzionando a

potenza limitata (valore di potenza ed isteresi configurabili) causa

assenza di utenze e/o batterie cariche. Tale funzione permette ad

esempio di gestire un sistema per il pompaggio e l’accumulo dell’acqua

potabile massimizzando in questo modo lo sfruttamento

della risorsa eolica e fotovoltaica. La funzione è stata implementata

all’interno della logica di controllo dell’aerogeneratore.

• “Load Schedding”: tale funzionalità permette di gestire utenze preferenziali

e normali anche in funzione delle diverse fasce orarie di

funzionamento (Tab. 1).

Il sistema minimo di accumulo è costituito da accumulatori di tipo

Lead Acid 24 Cells Type 8 EPZS 1000 posizionati all’interno di una

vasca di contenimento in acciaio.

Il dimensionamento della potenza da fonte eolica, dell’impianto fotovoltaico

e degli accumulatori viene realizzato mediante strumenti di

calcolo computerizzato sulla base delle esigenze del cliente in modo

da ottimizzare il sistema in funzione delle caratteristiche del sito di

Fig. 7 - Schema di un impianto stand-alone ibrido fotovoltaico/eolico

dotato di un sistema di accumulo elettrochimico

Nov./Dic. ‘12 105

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Tab. 1 - Caratteristiche del sistema stand alone Tozzi Nord

Dimensione container ISO 20 piedi (6.058 m x 2.591 m x 2.438 m)

Tipologia di rete generata 230 Vac monofase/400 Vac trifase + 48 Vdc

Frequenza 50/60 Hz ± 4%

Potenza massima senza FER 15 kW

Potenza massima con FER 25 kW

Potenza nominale FV 2,8 kW

Potenza nominale generatore eolico 10 kW

Tipologia batterie Accumulatori al Pb

Numero accumulatori/modello 24/Tab 8 EPZS 1000 L

Tensione pacco batterie 48 V

Capacità pacco batterie/energia disponibile 1000 Ah (C5)/48 kWh

Gestione carichi essenziali/preferenziali Si

Gestione Diversion Load Si

Tipologia ventilazione

Ventilazione

forzata/condizionamento opzionale

Temperatura di funzionamento 0 °C-40 °C

installazione e dell’andamento dei carichi. Il sistema offre anche la

possibilità di realizzare configurazioni basate solo su fotovoltaico o

eolico.

Non secondari sono gli aspetti legati alle condizioni ambientali e di

sicurezza che devono essere garantite nel locale tecnico: esso è dotato

di un sistema di smaltimento del calore/condizionamento nonché di

un sistema di espulsione dell’idrogeno prodotto dalle batterie e da un

sistema di alimentazione automatica dell’acqua distillata.

Il locale tecnico è destinato al contenimento dei convertitori statici, dei

quadri di comando e controllo e delle batterie. Il dimensionamento

della ventilazione all’interno di suddetto locale deve soddisfare i

seguenti vincoli:

• la concentrazione di idrogeno (prodotto dalle batterie essenzialmente

in fase di carica o per temperature maggiori di 40 °C) deve mantenersi

al di sotto del 4% onde evitare il raggiungimento della condizione

di miscela esplosiva;

• deve essere assicurato un adeguato scambio termico al fine di

garantire che la temperatura all’interno del locale batterie non risulti

troppo elevata.

Poiché le batterie impiegate sono al Pb-acido, la temperatura all’interno

di tale locale deve essere mantenuta tra i 15 °C ed i 25 °C in quanto

una temperatura più elevata comporta un aumento della solfatazio-

Nov./Dic. ‘12

ne specie nei lunghi periodi di inattività, favorendo il lento processo di

auto-scarica delle batterie che rappresenta una delle cause principali

della solfatazione.

Inoltre, analogamente alla corrente, anche la temperatura di funzionamento

di una batteria incide molto sulla sua capacità di erogare energia.

Il sistema sopra descritto è oggi disponibile sul mercato: esso

rappresenta non solo il risultato consolidato di una lunga attività di

ricerca sperimentale multidisciplinare oggi al servizio delle utenze, ma

al tempo stesso il sistema stand alone Tozzi è una vera e propria piattaforma

sperimentale pronta ad accogliere sperimentazioni che vedono

l’impiego di ulteriori tecnologie di accumulo elettrochimico, quali ad

esempio elettrolizzatori per la produzione di idrogeno accoppiati a

PEMFC o batterie Zebra.

Conclusioni

Soltanto con una politica energetica sostenibile si potrà sfidare la futura

emergenza climatica e ambientale. Le ricerche condotte dal Gruppo

Tozzi nel settore delle tecnologie per la generazione distribuita da

fonti rinnovabili mirano all’utilizzo sempre più efficiente delle varie fonti

(eolico, fotovoltaico) e alla loro integrazione con sistemi di accumulo

energetico onde limitare l’effetto di discontinuità/sfasamento della produzione

di energia elettrica rispetto ai consumi del sistema. Tali tecnologie

sono basate su processi elettrochimici (DSSC, batterie, elettrolisi,

celle a combustibile) e, pertanto, si può concludere che l’elettrochimica

e le energie rinnovabili rappresentano un binomio indissolubile.

Ringraziamenti: Progetto CA.RE.TE - CArbon REduction

TEchnologies, co-finanziato dalla Regione Emilia-Romagna nell’ambito

del bando “Dai Distretti Produttivi ai Distretti Tecnologici” e Progetto

ACSSA - co-finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento nell’ambito

della LP6/99.

Bibliografia

[1] V. Antonucci et al., Electrochim. Acta, 2008, 53, 7350.

[2] V. Baglio et al., J. New Materials for Electrochem. Systems,

2008, 11, 105.

[3] A. Di Blasi et al., J. Appl. Electrochem., 2009, 39, 191

[4] V. Baglio et al., Fuel Cells, 2009, 9, 247.

[5] S. Siracusano et al., Int. J. of Hydrogen Energy, 2010,

35, 5558.

ABSTRACT

Electrochemistry and Renewable Energy Sources

Environmentally friendly renewable energy sources such as wind and solar are important technology platforms to help in reducing power consumption and related

CO2 generation for a cleaner, more sustainable future. However, the introduction of intermittent energy sources makes it imperative to store the generated

energy to render those sources more predictable. Developing advanced technologies for energy storage and conversion is, in fact, widely recognized as critical

to establishing a secure and sustainable energy future. Electrochemical devices such as fuel cells, electrolyzers, and batteries are the most promising because

of their inherently high efficiencies and compatibility with existing electricity and fuel-delivery infrastructures.


CERMET ANODICI

INNOVATIVI PER BIO-SOFC

Lo sviluppo di materiali elettrochimici da utilizzare nella conversione diretta di biogas all’interno di celle a combustibile ad ossido

solido è di grande interesse pratico. In tal senso, promettente appare l’efficienza e la stabilità di nuovi sistemi catalitici bifunzionali

a base di leghe Ni-Cu in grado di catalizzare la reazione di reforming del metano con l’anidride carbonica.

`

Eben noto che l’uso della biomassa permette di creare un

sistema di conversione di energia a bilancio nullo di CO 2 ed

emissioni zero [1]. In particolare, i rifiuti municipali e i substrati

organici in genere, quali acque di scarico o concimi,

ma anche frazioni organiche domestiche e rifiuti agro-industriali, producono

il biogas, una miscela composta principalmente da metano

(CH 4 ) e anidride carbonica (CO 2 ), mediante fermentazione o conversione

catalitica. Il metano rappresenta, come la CO 2 , uno dei maggiori

gas ad effetto serra e poiché, per il 70%, è prodotto dalle emissioni

antropiche provenienti dai siti di discarica e dal bestiame, il suo

impiego come fonte di energia contribuisce di fatto alla riduzione dell’effetto

serra [2].

Il biogas è impiegato principalmente come combustibile per motori a

combustione interna e per la produzione di energia, sebbene, a

causa del suo basso potere calorifico, debba essere utilizzato in combinazione

con combustibili ausiliari, come il diesel, per ottenere processi

stabili. Tra gli impieghi più promettenti del biogas, attualmente

sta guadagnando un’importanza sempre crescente l’utilizzo nelle

celle a combustibile, ovvero in sistemi modulari che convertono l’energia

chimica direttamente in energia elettrica [3], con alte efficienze

di conversione energetica (maggiori del 10-20% rispetto ad un moto-

Giuseppe Bonura, Catia Cannilla, Manuela Cordaro,

Aldo Mezzapica, Francesco Frusteri

CNR-ITAE “Nicola Giordano”

Messina

giuseppe.bonura@itae.cnr.it

re termico) e basse emissioni di inquinanti, consentendo la cogenerazione

di energia elettrica e calore (vedi Fig. 1).

Per alimentare gli anodi delle celle, il combustibile deve essere convertito

in uno stream ricco di idrogeno (H 2 ) - successivamente ossidato

elettrochimicamente sull’anodo per produrre elettricità – in uno stadio

di reforming, che comporta l’impiego di costosi catalizzatori a base di

Fig. 1 - Produzione di elettricità e calore

da bio-rifiuti impiegando la tecnologia SOFC

Nov./Dic. ‘12 107

GEI ERA 2012


108

CHIMICA &

GEI ERA 2012

metalli nobili. In tale contesto, tra le varie tecnologie di celle a combustibile,

le celle ad ossidi solidi (SOFC) sono caratterizzate da elevate

temperature di funzionamento (900-1.000 °C) che rendono più flessibile

la tecnologia nei confronti del combustibile utilizzato [4-6]. D’altra

parte, a causa delle alte temperature di esercizio, le SOFC consentono

anche il reforming interno (IR) del combustibile, permettendo così

la conversione del metano in una miscela CO-H 2 (syngas) direttamente

sull’anodo, secondo la (1):

CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2

Nelle SOFC, il CO non rappresenta un veleno per l’anodo, ma può

essere considerato un combustibile. Il calore di scarto prodotto dalle

SOFC consente di sviluppare sistemi a ciclo combinato avanzato (in

combinazione con turbina a gas) con rendimenti elettrici del 60-70%.

Nel caso delle IR-SOFC, le unità di produzione di idrogeno, purificazione

e immagazzinamento possono quindi essere eliminate dal sistema

con evidenti riduzioni dei costi e miglioramento dell’efficienza di tutto il

sistema [1]. Tra i vari combustibili potenzialmente impiegabili nelle

SOFC, il biogas rappresenta di fatto un’opzione vantaggiosa perché,

rispetto al gas naturale, è privo di idrocarburi non metanici (unica

eccezione del gas di discarica) e possiede un elevato contenuto (40-

60 vol.%) di CO 2 . Questi due aspetti sono entrambi positivi per l’alimentazione

di SOFC; gli idrocarburi più pesanti, presenti nel gas naturale,

difatti, favoriscono maggiormente la formazione di carbone

rispetto al metano e la presenza di CO 2 , l’agente di reforming del

metano, offre la possibilità di alimentare il biogas direttamente in cella

senza dover impiegare l’umidificatore. Il biogas inoltre essendo prodotto

localmente è ampiamente distribuito sul territorio, contribuendo

positivamente sia alla sicurezza degli approvvigionamenti che all’economia

locale. Alla luce di queste considerazioni, si comprende come il

sistema di conversione energetica biogas/IR-SOFC sia particolarmente

vantaggioso dal punto di vista ambientale, risultando peraltro compatto

ed a basso costo.

Un ulteriore vantaggio derivante dall’impiego di SOFC alimentate a

biogas risiede nel fatto che, a differenza dei motori a combustione,

non è necessario un combustibile aggiuntivo per compensarne il

minore potere calorifico, con emissioni di NO x ed SO x praticamente

nulle [1, 7]. Il biogas viene prodotto soprattutto da fonti di piccola scala

e pertanto può essere impiegato solo in generatori di energia di piccole

dimensioni (5-100 kW) [8]; tuttavia, questo problema è superabile

con l’impiego delle celle a combustibile, poiché il numero di SOFC di

bassa potenza (5-500 kW) che può essere installato nelle aziende, nei

siti di discarica, negli impianti di trattamento delle acque di scarto, nei

digestori dei rifiuti organici solidi o nei siti di trattamento degli effluenti

liquidi è potenzialmente illimitato. Di fatto, le SOFC alimentate a biogas

possono raggiungere efficienze elevate (30-40 %) anche con generatori

di energia di piccole dimensioni (5-20 kW cl) con limitati costi di

manutenzione, rappresentando quindi la soluzione a più alta efficienza

per la generazione distribuita di energia da biogas. Ad oggi, uno sfor-

Nov./Dic. ‘12

(1)

zo particolare è rivolto verso la diminuzione delle temperature di esercizio,

al fine di ridurre le sollecitazioni nei materiali, senza sensibili

decadimenti nelle prestazioni ed attualmente ampi studi sono dedicati

alla individuazione delle condizioni migliori per lo sviluppo di processi

integrati biogas/SOFC, operanti a temperature di esercizio intermedie

(650-800 °C).

Principali difficoltà connesse all’impiego del

biogas per alimentazione diretta di una SOFC

La composizione del biogas può rappresentare un problema nelle

celle a combustibile, poiché, in base alla provenienza della biomassa

e alla tecnologia di produzione, accanto a metano e anidride carbonica

- che sono i composti principali -, possono essere anche presenti

quantità variabili di acqua, azoto, ossigeno, ammoniaca, cloro, acido

solfidrico, silossani e sostanze odorigene (mercaptani e tetraidrotiofene).

Le SOFC, grazie alla loro modularità, oltre a rappresentare una

tecnologia semplice e altamente efficiente, sono poco sensibili alle

impurezze e ai micro-contaminanti che il biogas può contenere [9, 10];

tuttavia, le sostanze contenenti zolfo rappresentano un veleno per i

catalizzatori già a basse concentrazioni (


Strategia di ricerca rivolta allo sviluppo

di sistemi catalitici per il reforming interno

di biogas in una SOFC

I notevoli sforzi dedicati allo sviluppo di catalizzatori caratterizzati da

elevata attività e stabilità in condizioni di dry reforming del metano

hanno mostrato che i sistemi più promettenti, in grado di assicurare

elevate performance catalitiche, in termini di attività e selettività a

syngas, sono quelli a base di nichel (Ni) [16-20] e di metalli nobili (Rh,

Ru, Pd, Pt, Ir) [21-24]. Questi ultimi sono meno sensibili al fenomeno

del coking ma, considerato l’alto costo e la loro limitata disponibilità,

risulta più opportuno sviluppare sistemi catalitici “low cost” a base di

Ni, stabili nel tempo. Tra le possibili strategie adottabili per evitare o

limitare la quantità di coke formato, l’approccio maggiormente seguito

è rappresentato dall’impiego di un supporto adatto o di una fase

attiva alternativa ai metalli convenzionali. Per lo sviluppo di un materiale

adatto al reforming interno in una SOFC, inoltre, è necessario considerare

anche la composizione del cermet anodico tradizionalmente

utilizzato. A tal proposito, la zirconia stabilizzata con ittria è spesso

impiegata nelle SOFC ad alta temperatura, ma materiali a base di ceria

mostrano una conduttività ionica significativamente più alta e maggiore

attività nei confronti dell’ossidazione diretta degli idrocarburi, grazie

alla mobilità dell’ossigeno reticolare [25, 26]. Peraltro, è stato anche

osservato che la ceria dopata con terre rare è un conduttore misto

(ionico ed elettronico) che può essere impiegato come componente

chiave di un anodo SOFC che opera in condizioni di dry reforming, con

una resistenza eccellente alla formazione del carbone. L’attività della

ceria, tuttavia, è troppo bassa per permettere operazioni all’anodo a

temperature intermedie; pertanto, l’attività deve essere migliorata con

l’uso di adeguate fasi attive e/o promotori. L’accoppiamento di nichel

e ceria-gadolinia (Ni/CGO) può rappresentare la chiave vincente per

migliorare l’attività catalitica del sistema, grazie alla possibilità di

aumentare la velocità di ossidazione dell’idrogeno e mantenere la conduttività

elettronica all’anodo. Tuttavia, il Ni metallico, seppur attivo nei

confronti della reazione di cracking e reforming degli idrocarburi, favorisce

la formazione di carbone (amorfo, filamentoso, incapsulante…)

che avvelena la superficie dell’anodo [25, 26].

A tal proposito, è stato osservato che, durante la reazione di reforming

catalizzata dal nichel, il tipo e la quantità di specie carboniose formate

dipende sia dalle condizioni di reazione che dalla dimensione delle

particelle metalliche, nonché dall’interazione metallo-supporto [27,

28]. In particolare, la deposizione carboniosa sembra favorita quando

la dimensione delle particelle di Ni metallico risulta maggiore di 5-10

nm [27, 28]. Tale dimensione può essere diminuita promuovendo la

formazione di soluzioni solide [29] o mediante processo di solforazione

[30]. Una possibile strategia per minimizzare la deposizione carboniosa

consiste anche nell’addizionare rame (Cu) nella formulazione

catalitica dei sistemi a base di Ni, modificando cioè l’ambiente intorno

al nichel mediante la formazione di una lega NiCu [26, 27].

In questo lavoro sono riportati i risultati più significativi ottenuti nel

reforming di miscele simulate di biogas, in presenza di sistemi cataliti-

Tab. 1 - Proprietà chimico-fisiche dei sistemi preparati

Sistema

catalitico

N9C0

N5C4-W1

Metodo

di preparazione

Miscelazione meccanica di NiO

commerciale con CGO

Impregnazione ad umido dei

precursori metallici su CGO

Composizione analitica Proprietà strutturali

χNi

(at./at.)

χCu

(at./at.)

Ni+Cu

(wt.%)

SA BET

(m 2 g -1 )

PV

(cm 3 g -1 )

1,00 0,00 68,3 3,7 0,04 396

0,58 0,42 74,5 15,9 0,05 128

N5C4-P1

Coprecipitazione dei

precursori metallici in

una soluzione di CGO

Coprecipitazione dei precursori

0,55 0,45 71,7 117,5 0,11 37

N5C4-P2 metallici seguita da miscelazione

meccanica con CGO

Combustione dei precursori

0,56 0,44 67,1 119,1 0,13 44

N5C4-F2 metallici seguita da miscelazione

meccanica con CGO

0,57 0,43 64,4 5,3 0,03 226

ci NiCu/CGO aventi una formulazione costituita dal 70 wt.% di fase

metallica (NiCu) e 30 wt.%% di fase ceramica (Ce 0,9 Gd 0,1 O 2-δ ). Scopo

della ricerca era appunto quello di sviluppare un sistema bifunzionale,

in grado di abbinare la buona conducibilità ionico-elettronica dei materiali

utilizzati ad un’alta efficienza e stabilità catalitica. A tal proposito,

sono state impiegate diverse metodologie di preparazione mono-stadio

e multi-stadio per promuovere una forte interazione metallo-supporto

ed ottenere catalizzatori caratterizzati da una fase attiva a base

di leghe NiCu, con alta resistenza sia nei confronti del sintering metallico

che verso la formazione di coke anche a bassi rapporti CO 2 /CH 4 .

In Tab. 1, sono riportate le principali proprietà chimico-fisiche dei catalizzatori

preparati, in termini di frazione atomica di Ni (χ Ni ) e Cu (χ Cu ),

concentrazione della fase metallica (Ni+Cu), area superficiale (SA BET ),

volume dei pori (PV) e diametro medio delle particelle (APD). I catalizzatori

sono stati caratterizzati mediante diverse tecniche chimico-fisiche

per avere informazioni riguardo la composizione analitica, le proprietà

superficiali, strutturali e morfologiche. Le misure di diffrazione dei

raggi X (XRD) hanno permesso di determinare i parametri cristallografici,

la composizione della lega NiCu e la concentrazione relativa delle

fasi metalliche. Le osservazioni mediante microscopio a trasmissione

elettronica (TEM), invece, hanno fornito informazioni riguardo la tipologia

e i meccanismi di formazione del carbone.

Le misure di attività catalitica nella reazione di reforming di CH 4 in presenza

di CO 2 sono state condotte utilizzando un impianto di laboratorio

operante a pressione atmosferica nell’intervallo di temperatura

650-800 °C, valutando l’influenza della velocità spaziale (GHSV) sulla

conversione di CO 2 e CH 4 e variando il rapporto CO 2 /CH 4 nella miscela

di alimentazione tra 0,5 e 2, per individuare le condizioni sperimentali

ottimali per minimizzare la formazione di carbone. Prima di ogni

prova, i catalizzatori sono stati attivati in situ per 1 h a 825 °C in corrente

di idrogeno.

Risultati e discussione

I risultati dei test catalitici condotti nella reazione di dry reforming hanno

evidenziato che il sistema NiCu/CGO è un catalizzatore promettente per

la conversione di miscele di biogas a temperature di esercizio tipiche

delle IR-SOFC [31]. In particolare, tutti i catalizzatori preparati risultano

attivi nella reazione di CO 2 reforming del CH 4 nell’intervallo di tempera-

APD

(Å)

Nov./Dic. ‘12 109

GEI ERA 2012


110

CHIMICA &

GEI ERA 2012

tura compreso tra 650 e 800 °C, operando a pressione

atmosferica e con velocità spaziali di 6.600

h -1. L’attività catalitica aumenta con la temperatura

di reazione, mentre a 650 °C è evidente un

significativo trend di disattivazione, sebbene differente

da sistema a sistema. Indipendentemente

dalla composizione dello stream di alimentazione,

il rapporto H 2 /CO diminuisce con il tempo fino al

raggiungimento di un plateau. All’aumentare della

concentrazione di CO 2 , il trend di disattivazione si

appiattisce. Come mostrato in Fig. 2, a bassi rapporti

CO 2 /CH 4 , la conversione di CH 4 non supera

il 50%, mentre la conversione di CO 2 raggiunge

valori vicini al 90%. Alimentando una miscela ricca

in CO 2 , la conversione della CO 2 diminuisce drammaticamente

senza un corrispondente aumento di

conversione del CH 4 , il cui valore rimane pressoché

uguale a quello ottenuto con rapporto pari a 1

(67%). In tali condizioni, la concentrazione di H 2 è

inferiore rispetto a quella di CO, mentre la quantità

di acqua formata aumenta da 1,92 a 8,11%.

Una dettagliata analisi termodinamica dei principali

percorsi di reazione in grado di descrivere complessivamente

la reazione di reforming del CH 4

con CO 2 ha confermato che la decomposizione

del metano rappresenta lo “stadio lento” della reazione

di dry reforming ed ha permesso di comprendere come gli andamenti

delle curve di disattivazione dei sistemi siano principalmente

imputabili alla differente efficienza dei catalizzatori nel promuovere la

gassificazione del carbone per reazione con la CO 2 . Anche se la velocità

di disattivazione risulta maggiore a basse temperature (650 °C) ed in

presenza di miscele di biogas a basso tenore di CO 2 , alte concentrazioni

di CH 4 nel biocombustibile favoriscono l’ottenimento di un syngas

con un rapporto H 2 /CO maggiore di 1, a causa di un minor contributo

della reazione di water gas shift.

I dati di caratterizzazione XRD hanno mostrato che, indipendentemente

dal metodo di preparazione impiegato e dal grado di interazione metallo-supporto

(Fig. 3), la lega NiCu si forma in seguito al trattamento di

attivazione in H 2 (riduzione) dei sistemi calcinati. Come è osservabile in

Tab. 2, l’ottimo accordo tra i valori di costante reticolare “a 200 ”, calcolati

e teorici, conferma la formazione di leghe NiCu su tutti i catalizzatori

ridotti. La distanza reticolare “a” è stata calcolata considerando le intensità

integrali delle linee , in accordo alla (2):

a 200=λ Kα1sinθ max -1 (2)

dove “λ” è la lunghezza d’onda della sorgente di raggi X e θ max l’angolo

di Bragg.

La frazione di Cu (χ Cu) nella lega NiCu è stata, invece, determinata

mediante la (3):

Nov./Dic. ‘12

Fig. 2 - Influenza della composizione della miscela

di alimentazione sull’attività catalitica e sulla

distribuzione dei prodotti del catalizzatore N5C4-

P1 (T R =800 °C; GHSV=6.600 h -1, t.o.s.=10 min)

χ Cu =(a 200 -a Ni )/(a Cu -a Ni ) (3)

dove “a Ni ” (3,524 Å) e “a Cu ” (3,615 Å) sono le

dimensioni del reticolo fcc rispettivamente di Ni

e Cu. Sulla base degli studi condotti sui catalizzatori

used è stato osservato che i principali fattori

che influenzano la cinetica di disattivazione

sono la formazione di depositi carboniosi (capacità

di coking) e l’accrescimento del diametro

medio delle particelle metalliche (sintering). Infatti,

la distanza reticolare delle leghe NiCu dopo

l’uso appare maggiore rispetto ai valori calcolati

nei catalizzatori fresh allo stato ridotto, verosimilmente

a causa di un’espansione del volume di

cella durante la reazione. Di conseguenza, i cluster

NiCu si arricchiscono superficialmente di

rame (χ Cu ) diventando sempre più grandi. L’alterazione

del diametro delle particelle di NiCu dopo

la reazione (Tab. 2) riflette per l’appunto l’entità

del sintering metallico. Ad ogni modo, si è osservato

una dipendenza prevalente della costante di

disattivazione catalitica (k deact ) dalla quantità di

carbone formato, con un rapporto k coking /k sintering

di circa 70.

Come noto, indipendentemente dal metodo di

preparazione impiegato, l’accumulo e la tipologia

di depositi carboniosi dipendono in modo significativo dalle condizioni

di reazione, a seguito di una costante competizione tra le reazioni

di formazione e quelle di rimozione del carbone. Rispetto al catalizzatore

di riferimento N9C0 (contenente solo Ni), i catalizzatori bimetallici

preparati mostrano concentrazioni minori di carbone dopo l’uso,

grazie alla superiore abilità di rimozione del carbone da parte della CO 2

quando il rame è addizionato nella formulazione catalitica. Peraltro, le

Fig. 3 - Confronto dei profili XRD dei catalizzatori calcinati e ridotti.

Le linee tratteggiate si riferiscono ai segnali di Cu e Ni metallico


analisi TEM hanno evidenziato che la deposizione di carbone

può essere controllata al di sotto di 800 °C impiegando

miscele di biogas ricche in CO 2 . A tale temperatura, infatti, sia

la velocità di dissociazione della CO 2 che quella di gassificazione

del carbone possono aumentare fino a raggiungere un

livello in cui la velocità di rimozione supera la velocità di formazione

del carbone stesso. Il fatto che anche a 800 °C, in presenza

di miscele di biogas a bassa concentrazione di CO 2 , si

formi carbone in maniera significativa evidenzia come la concentrazione

superficiale di ossigeno, derivante dalla decomposizione

di CO 2 sui siti metallici, rappresenti un fattore cruciale

per accelerare i processi di rimozione del carbone, proveniente

sia dalla decomposizione di CO 2 che di CH 4 .

Conclusioni

Il processo integrato biogas/IR–SOFC è di particolare interesse pratico,

poiché rappresenta un sistema di conversione energetica vantaggioso

sia sotto il profilo energetico che ambientale. Le SOFC rimangono,

di fatto, l’unica realtà in grado di convertire direttamente biogas di

bassa qualità proveniente dalle discariche. Per superare le difficoltà

connesse all’alimentazione diretta del biogas all’anodo di una cella

SOFC, risulta fondamentale sviluppare sistemi catalitici bifunzionali, in

grado di produrre miscele di syngas ad elevati rapporti H 2 /CO (>1) e

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Tab. 2 - Stabilità e disattivazione catalitica: costante di disattivazione,

capacità di coking, parametri cristallografici e dimensione media delle particelle NiCu

(T R , 800 °C; GHSV=6600 h -1 ; CO 2 /CH 4 =1)

Catalizzatore

caratterizzati da buona stabilità chimica ed elettrochimica. In tal senso,

l’aggiunta di rame al sistema Ni/CGO favorisce la formazione di leghe

Ni-Cu, contribuendo a stabilizzare la fase attiva presente in superficie

e limitando così sia la velocità di coking che il sintering metallico.

Ringraziamenti: Gli autori ringraziano il Ministero dello Sviluppo

Economico (Roma) per il contributo finanziario dato alla ricerca,

nell’ambito dell’accordo di programma CNR-MSE, riguardante il progetto

“Celle a combustibile per applicazioni stazionarie cogenerative”.

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ABSTRACT

Integrated Biogas/IR-SOFC Process

Biogas (CH4-CO2 ) could represent an attractive fuel SOFC applications. It could be directly fed under internal reforming conditions to produce H2-rich fuel for

the electrochemical reaction at the anode side. On this account, a bifunctional system (NiCu/CGO) active and resistant in both catalytic and SOFC conditions

was designed with the aim to obtain good resistance to metal sintering and suppression of undesirable carbon formation.

k deact a

(h -1 )

Capacità di coking b

(mgC g cat -1 )

a 220 c (Å) χCu d d s e (Å)

Teorico Ridotto Used Ridotto Used Ridotto Used

N9C0 0,078 73,4 3,524 - - 0,000 0,000 152 315

N5C4-W1 0,061 14,1 3,562 3,562 3,567 0,422 0,482 222 277

N5C4-P1 0,071 46,0 3,565 3,566 3,568 0,463 0,483 161 281

N5C4-P2 0,069 38,5 3,564 3,564 3,566 0,444 0,468 192 288

N5C4-F2 0,055 5,6 3,563 3,562 3,569 0,423 0,490 258 284

a Valori ottenuti dall’analisi delle velocità di conversione del CH4 normalizzate.

b Quantità di carbone determinata sui sistemi “used” mediante analisi termogravimetriche.

c Distanza reticolare teorica nelle leghe NiCu e valori calcolati sui sistemi ridotti (prima della reazione) e used.

d Frazione atomica di rame nella lega NiCu per i sistemi ridotti (prima della reazione) e used.

e Dimensione delle particelle ottenuta mediante misure XRD dei catalizzatori ridotti e used (t.o.s., 6h).

Nov./Dic. ‘12 111

GEI ERA 2012


112

CHIMICA &

GEI ERA 2012

FUEL CELLS MICROBICHE

A CAMERA SINGOLA:

BIOANODO E BIOCATODO

Le Fuel Cells Microbiche (MFC) rappresentano una tecnologia

in grado di trasformare l’energia chimica contenuta nelle

sostanze organiche in energia elettrica. Questa trasformazione

è spinta dal metabolismo della flora batterica che in

modo del tutto naturale si autoseleziona in base alle condizioni che si

producono all’interno della cella.

La comparsa delle prime MFC risale agli inizi del secolo scorso [1-7],

anche se tale tecnologia rimane sconosciuta e non considerata fino

agli inizi di questo secolo. Il design, materiali e catalizzatori per queste

prime MFC sono ripresi dalla tecnologia delle fuel cells chimiche

a bassa temperatura (idrogeno o metanolo). Per la loro costruzione

sono quindi stati utilizzati due scomparti, uno per la soluzione catodica

e l’altro per la soluzione anodica. Per separare i due scomparti si

utilizza una membrana a conduzione protonica. Le soluzioni dei due

scomparti sono adattate alle reazioni che si vogliono ottenere. In particolare,

nelle MFC a doppia camera, la soluzione anodica contiene

sostanze organiche (di scarto o aggiunte appositamente [8]) ed una

flora microbica (endogena o aggiunta) in grado di metabolizzare tali

sostanze organiche. Nello scomparto catodico la soluzione è generalmente

composta da un elettrolita inerte e un ossidante (ossigeno

principalmente, ma anche nitrati, composti del ferro(III), solfati, permanganato,

bicromato ecc.) in grado di interagire con la superficie

dell’elettrodo ed accettare gli elettroni provenienti dall’anodo attraver-

Nov./Dic. ‘12

Edoardo Guerrini a , Matteo Grattieri a ,

Giorgio Lubatti a , Pierangela Cristiani b ,

Stefano Trasatti a

a Dipartimento di Chimica

Università di Milano

b RSE - Ricerca sul Sistema Energetico SpA

Environmental and Sustainable Development

Department

Milano

edoardo.guerrini@unimi.it

Le fuel cells microbiche a camera singola hanno molteplici applicazioni: produzione di micro-potenze elettriche, biodiesel

o bio-idrogeno, disinquinamento, sensori di biofouling e biocorrosione. Lo studio dei meccanismi alla base dei bioanodi

e biocatodi è la chiave per una loro industrializzazione.

so il circuito elettrico esterno. Con tale organizzazione della cella, la

reazione catodica è del tutto similare a quella che si ottiene nelle fuel

cells chimiche e porta con sé i problemi e le conoscenze pregresse in

tale campo. Le MFC a doppia camera risultano quindi “semplificate”

dal punto di vista della ricerca, dato che il catodo è completamente

inorganico ed è quindi possibile utilizzare soluzioni e materiali ormai

conosciuti per le fuel cells ad idrogeno o metanolo.

La cella anodica contiene invece la flora microbica che tende a metabolizzare

le sostanze organiche fornite seguendo il metabolismo

caratteristico del tipo di microbi presenti [9]. Termodinamicamente

parlando, il metodo dei microbi per massimizzare l’estrazione dell’energia

è quello di accoppiare l’ossidazione organica con la riduzione

dell’ossigeno. In un ambiente contenente sia composti organici che

ossigeno, quindi, tale reazione avviene automaticamente e la digestione

della sostanza organica non produce un passaggio di elettroni

nel circuito esterno (come in un depuratore di reflui urbani). Per ottenere

una corrente è necessario pertanto eliminare l’ossigeno dalla

camera anodica. L’assenza di ossigeno obbliga però la flora microbica

ad autoselezionarsi per adattarsi all’ambiente anaerobico.

Le MFC a doppia camera pongono comunque importanti quesiti sulla

loro applicabilità in campo.

In primo luogo, l’esigua produzione di energia (se comparata con le

fuel cells tradizionali) non è accompagnata da una diminuzione dei


costi di produzione di tali fuel cells. Membrana protonica e catalizzatori

inorganici a base di metalli preziosi ne aumentano i costi. Parallelamente,

ai problemi di maneggiamento della soluzione contenente la

flora microbica si aggiungono i problemi relativi alla soluzione catodica

inorganica abiotica. Inoltre, come è possibile immaginare, la soluzione

anodica contiene una molteplicità di composti organici sia preesistenti

nella soluzione iniziale, sia prodotti in situ dalla flora microbica.

Questi composti organici possono attraversare la membrana protonica

e danneggiare permanentemente i catalizzatori catodici causando

il ben conosciuto fenomeno di poisoning [10].

Il punto principale e più difficile è quindi quello di abbassare i costi

generali delle MFC; in contemporanea l’aumento di produttività è

auspicato. Questi punti possono essere raggiunti se si mette in discussione

l’intero design di cella e se si comincia a pensare alla MFC

come ad un microsistema biologico in grado di autoadattarsi alle condizioni

imposte. Quindi, seguendo questa via di pensiero, il modo

migliore per abbassare i costi per membrane protoniche e catalizzatori

inorganiciè quello di eliminarli dalle MFC [11]. Il risultato è una

MFC con una sola camera contenente l’elettrolita, l’alimento organico

e il reagente per la reazione catodica (Fig. 1).

Il punto critico per comprendere tale tipo di cella consta nel capire

che la flora microbica (principalmente batterica) si organizza nella

cella fino a formare delle zone altamente concentrate chiamate biofilm,

dalla consistenza più o meno concreta, ma che hanno più funzioni

molto importanti [12]:

- proteggere i batteri da condizioni esterne poco compatibili con la

vita, quali variazioni repentine di pH, o la presenza di molecole velenose

(come l’ossigeno per i batteri anaerobici);

- localizzare i batteri in zone ben definite, solitamente meccanicamente

connesse con gli apparati della cella: biofilm catodico; biofilm

anodico; biofilm superficiale;

- localizzare i prodotti di metabolismo biologici, solitamente ionici, in

grado di migliorare la conduzione ionica e di creare le condizioni per

il trasferimento elettronico.

Il biofilm è quindi un’espansione dell’elettrodo propriamente detto.

Dal biofilm anodico, i batteri metabolizzano la sostanza organica producendo

elettroni, CO 2 eH + . Gli elettroni devono quindi essere tra-

Fig. 1 - Immagine e schema generale di una Single Chamber Microbial Fuel Cell

smessi all’anodo i quali, attraverso il circuito elettrico esterno, arrivano

al catodo. Attraverso il biofilm catodico si ha la reazione di riduzione

di un ossidante (principalmente ossigeno, a dare OH -). I metodi

per permettere il passaggio di elettroni nel biofilm (anodico o catodico)

sono molteplici [13] e possono essere riassunti in:

- trasferimento elettronico diretto, il quale è possibile unicamente se

il batterio è direttamente attaccato alla superficie elettrodica;

- trasferimento elettronico tramite mediatori. Le molecole escrete dai

batteri possono avere funzioni redox in grado di creare una cascata

elettronica il cui fine ultimo è quello di permettere il passaggio

degli elettroni da/per i batteri presenti nel biofilm;

- micropili. È un meccanismo di recente scoperta, in cui i batteri stessi

producono fili elettricamente conduttivi di lunghezza molto maggiore

delle loro dimensioni, direttamente connessi alla superficie

elettrodica. Tali pili sono comunque caratteristici di alcune specie di

batteri e non si conosce ancora il modo per stimolare tale produzione.

Indubbiamente, nel primo caso, l’estensione superficiale dell’elettrodo

gioca un ruolo molto importante. Negli altri due casi, i metodi

adottati dai batteri per ottenere il trasporto elettrico permettono di

ampliare la superficie effettiva elettrodica trasformandola in un “volume

di trasferimento elettronico”. Contemporaneamente, gli ultimi due

metodi permettono di dimenticare parzialmente il problema di ottenere

elettrodi ad alta area superficiale.

In questo articolo saranno quindi descritti i comportamenti generali

delle celle microbiche a singolo scomparto costruite nel nostro laboratorio,

cercando di evidenziare i punti salienti, gli ultimi avanzamenti

scientifici e i problemi insiti in questo tipo di tecnologia.

Materiali e metodi

Le celle microbiche a camera singola (SCMFC: Single Chamber Mirobial

Fuel Cell) argomento di questo articolo sono esaustivamente

descritte in altri lavori [11, 14]. Brevemente, esse sono costituite da

un solo scomparto contenente (Fig. 1): un anodo in carbon cloth; un

catodo (montato su di un’apertura esposta all’aria) di carbon cloth;

una soluzione elettrolitica composta in questo caso da refluo urbano

(Depuratore di Nosedo, Milano) addizionato di acetato di sodio per il

sostentamento della flora batterica endogena. Dato che il refluo non

subisce trattamenti di sterilizzazione ed inoculo di colture batteriche

selezionate, la flora che instaura la produzione del biofilm è quella

naturalmente presente nel refluo stesso, composta dai più disparati

genotipi. Le condizioni della cella determinano poi una selezione

naturale. Il catodo è connesso all’anodo tramite una resistenza di 100

Ω, che permette il passaggio di corrente e quindi la sopravvivenza dei

due biofilm. Durante il normale funzionamento, viene automaticamente

acquisita la differenza di potenziale (U) ai capi della resistenza. Tale

voltaggio è quindi correlabile con la quantità di corrente che fluisce

nel circuito tramite la legge di Ohm (U=R x i).

Le curve di polarizzazione quasi stazionaria sono effettuate con il

metodo usuale, effettuando una linear sweep voltammetry alla veloci-

Nov./Dic. ‘12 113

GEI ERA 2012


114

CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 2 - Andamento del potenziale di cella U (curva a) nel tempo,

e contemporanea variazione di pH (curva b)

di 10 mV/min. partendo dal potenziale di circuito aperto, verso la

direzione desiderata (anodica per gli anodi, catodica per i catodi). La

configurazione a tre elettrodi prevede un controelettrodo di platino ed

un riferimento a calomelano (SCE), dotato di capillare di Luggin per

minimizzare le sovratensioni di origine ohmica della soluzione. Tutte le

misure di potenziale sono qui riportate rispetto al riferimento SCE.

Ad intervalli prestabiliti (due volte a settimana) vengono misurati i

potenziali di circuito aperto sia del catodo che dell’anodo, tramite

voltmetro ad elevata resistenza interna e configurazione a due elettrodi

in open-circuit.

Analisi biologiche

Il biofilm stabile presente su anodo e catodo di una cella funzionante

è stato analizzato in precedenti lavori [15] tramite la tecnica DGGE e

confermato dalla tecnica FISH. È interessante qui riportare le conclusioni

principali deducibili da tali analisi. In particolare, sull’anodo sono

stati trovati unicamente batteri anaerobici, principalmente appartenenti

alle famiglie dei Geobacter (G), Solfatoriduttori (SRB Sulphate

Reducing Bacteria) e Spirochaete (S). Sul catodo sono stati trovati

SRB e S.

Discussione

Verranno qui discussi i punti principali che influenzano la produttività

e l’efficienza di una SCMFC.

Avvio della cella

In Fig. 2 è riportato l’andamento del potenziale nel tempo tipico di una

SCMFC, in assenza di catalizzatori sia al catodo che all’anodo.

Sovrapposto vi è l’andamento corrispondente di pH. Tale cella, come

tutte le celle riportate in questo lavoro, è stata alimentata solo al

tempo zero con 3 g/L di acetato di sodio, per sostenere il metabolismo

microbico. Il potenziale è nullo al momento di avviamento della

cella (tempo zero), nonostante la presenza di batteri nella soluzione.

Successivamente, i batteri colonizzano gli elettrodi ed il potenziale

Nov./Dic. ‘12

Fig. 3 - Andamento nel tempo dei potenziali di circuito aperto dell’anodo (●)

e del catodo (○) di una SCMFC, misurati contro SCE. In grigio sono riportati

gli andamenti indicativi

raggiunge un massimo entro circa una/due settimane. In contemporanea,

il pH iniziale diminuisce corrispondentemente all’aumento di

potenziale della cella, raggiungendo quindi una situazione stabile.

Questo semplice grafico fenomenologico descrive dunque lo stabilirsi

del biofilm sugli elettrodi. Dopo un’iniziale fermentazione acida (ad

opera quindi di batteri aerobici) che elimina l’ossigeno dalla soluzione,

la cella comincia a produrre corrente e raggiunge uno stato di stabilità

dopo il periodo di induzione iniziale. Dalla misurazione delle

curve di potenza su diverse celle (dati non riportati) si ottiene una

potenza massima di ~0,5 W/m 2.

Potenziale di circuito aperto (ocp)

del catodo e dell’anodo

In una SCMFC, esistono alcuni punti caratteristici nel modo in cui le

reazioni catodiche e anodiche si evolvono nel tempo.

In una fuel cell chimica, i processi chimici agli elettrodi sono ben definiti

e selezionati a priori per massimizzare sia la potenza di cella, sia

l’utilizzo dei reagenti forniti (efficienza coulombica, CE).

Nella pratica, questo si traduce in soluzioni elettrolitiche pulite e contenenti

unicamente il reagente (metanolo o idrogeno all’anodo, ossigeno

al catodo ecc.) e l’elettrolita prescelto (acido solforico, NaOH

ecc.). In una SCMFC, il comburente iniziale è in questo caso acetato

di sodio, ma nel refluo urbano sono normalmente presenti una moltitudine

di composti organici di diversa origine in grado di alimentare e

fornire carbonio alla flora microbica. Questa differenza si ripercuote

sui processi agli elettrodi, che, nel caso delle SCMF, non sono ancora

ben conosciuti e possono variare a seconda del tipo di batteri presenti

[9] e quindi del tipo di design di cella utilizzato [16].

A titolo d’esempio, sono riportati in Fig. 3 i potenziali di circuito aperto

dell’anodo e del catodo. È interessante notare come il potenziale

dell’anodo (•) diminuisca drasticamente entro pochi giorni dall’avvio

della cella, portandosi da circa -250 mV a -600 mV. Il processo di fermentazione

permette l’instaurarsi di condizioni anaerobiche, in cui i

batteri (come visto: SRB, S e G) metabolizzano l’acetato e donano gli


elettroni all’anodo. Il potenziale ocp risultante si abbassa quindi a

causa della diminuzione della concentrazione di ossigeno in cella e

dell’instaurarsi di questo scambio elettronico mediato dai batteri.

Il catodo, in una cella prettamente chimica, dovrebbe essere ad un

potenziale il più positivo possibile.

La scelta della specie chimica e sua concentrazione definiscono il

relativo potenziale del catodo tramite l’equazione di Nernst.

Il catodo di una SCMFC si comporta invece in maniera differente,

come visibile dalla Fig. 3: il suo potenziale di circuito aperto rimane

relativamente alto (in figura ~0 V, ma anche +0,2 V in alcuni casi) nel

primo periodo, in corrispondenza della fermentazione ed attivazione

della cella. Successivamente, l’ocp del catodo si abbassa fino a -100

mV circa. Questo abbassamento dell’ocp coincide con l’inizio di produzione

di corrente elettrica della SCMFC e con la colonizzazione di

batteri SRB e S sul catodo.

Considerando il comportamento degli SRB [12] si comprende come,

anche in questo caso, l’abbassamento della concentrazione di ossigeno

nell’interfase catodica porti alla formazione di un biofilm catodico

e all’iniziazione dei processi biologici che portano al passaggio

effettivo di corrente.

Il comportamento dell’ocp catodico ed anodico suggerisce quindi

una situazione in cui l’anodo è colonizzato più velocemente dai batteri,

i quali iniziano il processo di ossidazione delle sostanze organiche

e rendono disponibili gli elettroni per il processo catodico. Al

catodo, tali elettroni non possono essere consumati da una reazione

Fig. 4 - Immagini SEM (inserto immagine ottica dell’elettrodo) ed analisi EDX

del catodo sul lato esposto al refluo (a e c) e sul lato esposto all’aria (b e d)

Fig. 5 - Diagramma di Pourbaix per le coppie redox probabilmente interessate dai

processi batterici in una SCMFC

di riduzione d’ossigeno diretta (chimica), data l’assenza di qualsiasi

catalizzatore inorganico. I batteri che sono in grado di consumare tali

elettroni cominciano quindi a svilupparsi solo a questo punto, catalizzando

biologicamente una o più reazioni di riduzione il cui accettore

finale è sicuramente l’ossigeno.

Analisi SEM-EDX sui catodi

In Fig. 4 sono riportate le immagini SEM ed analisi EDX della parte

interna ed esterna dei catodi. Si è scelto di mostrare unicamente i

catodi, dato che solo per questi ultimi è evidente una precipitazione

di agglomerati conseguente al funzionamento prolungato di una

SCMFC. Gli anodi presentano invece unicamente un biofilm che è

stato oggetto delle analisi biologiche.

Queste analisi hanno permesso di evidenziare la precipitazione di

agglomerati di CaCO 3 nel lato interno del catodo a contatto con la

soluzione ed il biofilm, e di Na 2 CO 3 sul lato esterno esposto all’aria.

Per entrambe le superfici è stata evidenziata la presenza di zolfo.

Termodinamica dei processi

In Fig. 5 è riportato il diagramma di Pourbaix, calcolato a partire dai

dati termodinamici di ∆G0 f , per le coppie redox di interesse in questa

discussione.

Dato che tale diagramma è calcolato ipotizzando concentrazioni unitarie

delle sostanze chimiche, esso rappresenta unicamente un’indicazione

delle reazioni accessibili/proibite in una SCMFC. Ciò nonostante

è possibile notare alcuni punti interessanti:

- la reazione di riduzione dell’ossigeno (non mostrata, a E=1,23-

0,059·pH) si accoppia favorevolmente con l’ossidazione sia dell’acetato

che dello ione solfuro (H2S, HS- e S2- , prodotti dagli SRB

partendo da solfato);

- l’acetatopuòtermodinamicamente ridurre lo ione solfato a solfuro

unicamente a pH inferiori a ~12;

- l’evoluzionediidrogeno (riduzione del protone) non è possibile tramite

una SCMFC. Dato che gli SRB possono utilizzare anche l’H2 Nov./Dic. ‘12 115

GEI ERA 2012


116

CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 6 - Catodiche ed anodiche al variare del pH, imposto tramite aggiunta di

NaOH. Linea continua: pH 6,7; Linea tratteggiata: pH 8,7; Linea a punti: pH 10,2

quale fonte di elettroni, questo ciclo metabolico non è possibile nel

caso di queste SCMFC. Gli elettroni utilizzati dagli SRB provengono

quindi o direttamente dall’acetato in soluzione (ciclo metabolico

che non genera corrente elettrica ed abbassa l’efficienza coulombica)

oppure dall’elettrodo catodico.

Cinetica dei processi

I processi chimici e biochimici che avvengono in una cella possono

coinvolgere diversi tipi di reagenti e/o prodotti, oppure modificare

semplicemente il percorso adottato per passare dagli uni agli altri. In

cinetica elettrochimica, le curve di polarizzazione quasi-stazionarie

sono un efficiente metodo per comparare diversi materiali elettrodici

e quindi diverse prestazioni.

In Fig. 6 sono visualizzate le curve anodiche e catodiche di una cella in

cui il pH è stato modificato tramite aggiunta di NaOH. A pH 6,7 (pH iniziale

del refluo+acetato) la cella produce corrente elettrica e funziona

correttamente; aumentando il pH si ha una graduale disattivazione della

cella fino alla completa morte del film batterico a pH superiori a 10.

Analizzando le curve a pH 6,7 (linea continua) si notano diversi comportamenti

caratteristici della SCMFC:

1) l’ocp del catodo (assimilabile al punto a corrente zero della curva

catodica) è di circa -0,2V, in accordo con le considerazioni precedentemente

riportate;

2) la reazione catodica non presenta limitazioni di diffusione del reagente;

3) l’ocp dell’anodo è posizionato a potenziali più negativi, caratteristici

di una soluzione anaerobica;

4) in prossimità del suo ocp, l’anodo mostra un picco di corrente

caratteristico che evidenzia la presenza di enzimi e/o molecole elettroattive

di origine biologica adsorbite sull’elettrodo;

5) successivamente, l’anodo mostra una corrente limite di diffusione

dovuta alla difficoltà di approvvigionamento di acetato all’elettrodo;

6) l’incrocio tra anodica e catodica avviene ad un potenziale di poco

Nov./Dic. ‘12

maggiore di -0,2 V, indicando che il processo è sotto controllo anodico.

Le curve a pH 8,7 mostrano un andamento differente, in cui il ruolo

dei batteri si è modificato rispetto alle curve precedenti:

1) il catodo mostra un ocp più positivo, indicando che il metabolismo

batterico non riesce ad eliminare completamente l’ossigeno proveniente

dalle porosità dell’elettrodo catodico. Il sistema non è quindi

più in anaerobiosi;

2) l’anodo ha spostato il suo ocp a valori positivi, molto prossimi a

quello del catodo. La differenza di potenziale tra anodo e catodo è

quindi ridotta, così come la corrente esibita;

3) la curva anodica non presenta più il picco di corrente caratteristico

di effettiva presenza di molecole batteriche;

4) la corrente limite di diffusione è più bassa, indicando che il biofilm

che ricopre l’anodo impedisce la diffusione dell’acetato ed è quindi

più compatto;

5) a potenziali più elevati si nota un inizio di ossidazione chimica, non

ancora elucidata (forse ossidazione chimica dell’acetato);

Le curve a pH 10,2 si modificano ulteriormente:

1) il catodo mostra un ocp in ulteriore aumento. Il suo valore prossimo

a zero è simile a quello dei catodi non colonizzati ad inizio sperimentazione;

2) l’anodo parte dallo stesso ocp delle curve a pH 8,7, indicando che

già al precedente pH il metabolismo anodico era stato rallentato e

la concentrazione di ossigeno era ad un valore stabile;

3) il processo di produzione di corrente si modifica però ulteriormente,

diminuendo ancora di più la corrente limite di diffusione: la diffusione

verso l’elettrodo dell’acetato presente in cella è ancora più

impedita;

4) l’ossidazione di composti ad alti potenziali è ulteriormente aumentata.

L’analisi di queste curve di polarizzazione porta quindi alla conclusione

che l’aumento di pH della soluzione elettrolitica è concorde con la

termodinamica: i processi anodici di ossidazione dell’acetato divengono

sempre più sfavoriti. Questa affermazione è tanto più vera

quanta più importanza si dà al metabolismo dei batteri SRB, in cui

2-

l’accettore degli elettroni è lo ione SO4 .

Bioanodo e biocatodo

Ulteriori informazioni e prove dell’ecosistema che si instaura in una

SCMFC si possono ottenere confrontando le curve di polarizzazione

anodiche e catodiche effettuate a diversi tempi di vita della cella (zero

e 15 giorni per l’anodo; 0, 15 e 21 per il catodo). Tali curve sono riportate

in Fig. 7.

L’andamento delle curve è interpretabile secondo quanto già descritto.

L’ocp delle curve anodiche si abbassa durante il processo di colonizzazione

degli elettrodi da parte dei batteri. In contemporanea le

correnti aumentano e il processo anodico subisce un fenomeno di

elettrocatalisi, esibendo il picco caratteristico di presenza di batteri

elettroattivi nei pressi dell’elettrodo.


Fig. 7 - Curve di polarizzazione quasi-stazionarie dell’anodo e catodo in diversi

giorni di funzionamento della SCMFC. Anodica a 0 (A-0) e a 15 giorni (A-15).

Catodica a 0 (C-0), 15 giorni (C-15) ed a 21 giorni (C-21)

Il catodo esibisce anch’esso una leggera diminuzione dell’ocp mentre

il processo catodico subisce un forte aumento di velocità, esibendo

elevate correnti già a 15 giorni. Il processo catodico risulta di poco

ulteriormente migliorato al giorno 21.

È molto interessante notare che il punto di intersezione delle curve

anodica e catodica a 15 giorni coincide con il massimo del picco anodico

di origine biologica. Questa evidenza sperimentale, spesso

riscontrata nelle SCMFC, evidenzia la capacità dei batteri di modificare

la tipologia di specie chimiche prodotte [17] per adattarsi perfettamente

al potenziale che si instaura nella cella, ottimizzando quindi i

processi chimici per massimizzare il metabolismo e quindi il passag-

Bibliografia

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[8] D. Pant et al., Bioresource Techn., 2010, 101, 1533.

gio di elettroni. In contemporanea, analizzando la forma delle stesse

curve, si nota che il processo totale di ossidoriduzione non è né sotto

controllo anodico, né sotto controllo catodico: un aumento o diminuzione

di uno dei due processi provocherebbe una corrispondente

modifica delle prestazioni della cella.

Conclusioni

In questo articolo, l’effettiva possibilità di abbattere costi e semplificare

il design di cella delle MFC è dimostrato.

La fuel cell risultante è un sistema biologico a sé stante, in cui la presenza

di zone anaerobiche e parzialmente aerobiche stimola il metabolismo

di alcune specie microbiche, le quali producono energia

sotto forma di corrente elettrica. Il processo di formazione del bioanodo

e del biocatodo necessita di un tempo di attivazione, sia dovuto

alla fermentazione iniziale per produrre le condizioni anaerobiche,

sia dovuto al tempo necessario perché entrambi i biofilm si evolvano

in maniera stabile.

I batteri presenti in una cella sono principalmente di tipo anaerobico

(Geobacter e Spirochaete) o anaerobico-parzialmente aerobico (Sulphate

Reducing Bacteria). La sinergia di questi batteri per la produzione

di corrente è dimostrata sia da evidenze sperimentali (SEM-

EDX, ocp, polarizzazioni), sia da valutazioni termodinamiche.

I processi chimici che avvengono in una SCMFC si modificano nel

tempo a causa dell’interazione dei batteri (o dei loro escreti) con il

materiale elettrodico e sono ben visibili attraverso esperimenti di

curve di polarizzazione.

Sono attualmente in studio esperimenti con microsistemi elettrochimici

per elucidare la formazione di prodotti chimici e biologici nell’interfase

elettrodo/biofilm.

[9] M. Rosenbaum et al., Bioresource Techn., 2011, 102, 324.

[10] C. Lamy et al., Electrocatalysis of Direct Methanol Fuel Cells,

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[17] A.V. Kylie et al., Chem. Rev., 2007, 107, 4366.

ABSTRACT

Single Chamber Microbial Fuel Cells: Bioanodes and Biocathodes

Single Chamber Microbial Fuel Cells are multipurpose devices: micro-power, biodiesel, bio-hydrogen production, depollution, biofouling or biocorrosion sensors.

Studying the mechanisms at the base of their bioanodes and biocathodes is the key for their prompt scale-up.

Nov./Dic. ‘12 117

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Celle a combustibile prodotte da SOFCpower (copyright H. Munoz)

SOFCPOWER: UNA REALTÀ

ITALIANA NEL CAMPO

DELL’ENERGIA DISTRIBUITA

SOFCpower SpA è una giovane industria italiana che sviluppa e

produce sistemi di micro-cogenerazione (produzione combinata

di calore ed energia elettrica) per applicazioni stazionarie e di

remote power. La società, che ha sede a Mezzolombardo, in

provincia di Trento, è stata fondata nel 2006 sulla base di attività di sviluppo

avviate negli anni precedenti dal gruppo industriale Eurocoating-Turbocoating.

Nel 2007, SOFCpower ha acquisito la tecnologia della società

svizzera HTceramix SA (HTc), spin-off dell’École Polytechnique Fédérale

de Lausanne (EPFL). Grazie alla pluriennale esperienza nel campo delle

SOFC, il gruppo di System Engineering EPLF-LENI è tuttora un partner

strategico per attività di testing, validazione

e simulazione a livello di stack e di sistemi.

La società, che conta attualmente circa 40

dipendenti, è distribuita su due sedi operative,

una sita presso il Business Innovation

Centre di Mezzolombardo, in provincia di

Trento, e l’altra in Svizzera presso Losanna.

Nel 2008, grazie ad un progetto cofinanziato

dalla Provincia Autonoma di Tren-

to, SOFCpower ha costruito, in Mezzolombardo,

un impianto pilota per la produzio-

Nov./Dic. ‘12

Dario Montinaro, Massimo Bertoldi

SOFCPOWER SpA

Mezzolombardo (TN)

dario.montinaro@sofcpower.com

SOFCpower SpA è una giovane industria italiana che sviluppa e produce sistemi di micro-cogenerazione ad alta efficienza per

applicazioni stazionarie. La tecnologia SOFCpower si basa sullo sviluppo di moduli e sistemi per la cogenerazione di calore ed

energia elettrica (CHP) mediante celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC). L’azienda è presente nel mercato dei sistemi stazionari

con diversi prodotti tra i quali un modulo cogenerativo da 1 kW elettrico di tipo murale, l’ENGEN-1000, e uno a basamento da 2,5

kW elettrici in grado di offrire un’efficienza elettrica pari al 50% e un complessivo superiore al 90%.

Fig. 1 - Banchi testing per la caratterizzazione di pile SOFC all’interno

dell’impianto pilota di Mezzolombardo (copyright H. Munoz)

ne di celle, stack e sistemi di cogenerazione di piccola taglia. La capacità

produttiva dell’impianto è attualmente di 2 MW/anno, corrispondente a

circa 2.000 celle per settimana. Si tratta di una capacità sufficiente per lo

sviluppo di prodotto, per le campagne di field test e la validazione dei processi

produttivi prima dello scale-up a livello industriale.

SOFCpower ha fatto numerosi investimenti per garantire il controllo qualità

in produzione, per assicurare la completa catena di distribuzione, dalle

singole celle utilizzate per gli stack fino all’assemblaggio di piccoli sistemi.

Le attrezzature per la produzione di celle, installate in laboratori ad

ambiente controllato, includono linee produttive di tape casting, screen

printing, spray coating, forni ad alta temperatura

e strumentazione per il controllo

qualità.

Un cospicuo lavoro è stato, inoltre, condotto

nella progettazione e realizzazione di

banchi prova per la caratterizzazione elettrochimica,

sia di singoli componenti, che

di sistemi di cogenerazione. Questo ha

permesso a SOFCpower di rafforzare

internamente un prezioso bagaglio di competenze

che è stato fondamentale per lo


Fig. 2 - Struttura tipica di una cella a combustibile Fig. 3 - Meccanismo delle due semireazioni (a) al catodo e (b) all’anodo.

sviluppo dei sistemi integrati. Negli ultimi due anni, nell’impianto pilota di

Mezzolombardo, sono stati prodotti oltre 10.000 celle, 800 pile e 50

cogeneratori (Fig. 1). Grazie al controllo completo della catena di distribuzione,

SOFCpower ha potuto confermare la competitività dei propri

prodotti, con costi inferiori a 1000 €/kW e , per volumi di produzione a partire

da 50 MW/anno.

Celle a combustibile ad ossidi solidi

Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convertono

direttamente l’energia chimica di una reazione di ossidazione in energia

elettrica. La struttura di base di una cella a combustibile consiste in due

elettrodi porosi dove avvengono le reazioni di ossidazione del combustibile

e riduzione dell’ossigeno (Fig. 2). I due elettrodi sono separati da uno

strato di elettrolita, che è un conduttore ionico. Nel caso più generale di

una cella alimentata con idrogeno, la comune reazione di ossidazione del

combustibile:

H 2 + 0,5O 2 → H 2 O

può essere scomposta nelle due semireazioni agli elettrodi:

catodo: 0,5O 2 + 2e - → O 2anodo:

H 2 + O 2- → H 2 O + 2e -

Il potenziale di cella è governato dalla ben nota equazione di Nernst. L’elettrolita

è il trasportatore di carica e la sua conducibilità determina l’intervallo

di temperatura di funzionamento della cella. Esistono quindi molti tipi

di celle a combustibile, che si differenziano per materiali e per il meccanismo

di trasporto attraverso l’elettrolita. Nelle celle a membrana polimerica

(PEFC), per esempio, l’elettrolita è un polimero conduttore di ioni idrogeno,

mentre nelle celle a carbonati fusi (MCFC) la reazione avviene grazie

al trasporto di ioni carbonato.

Nel caso specifico delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), l’elettrolita

è un conduttore di ioni ossigeno, tipicamente a base di ossido di

zirconio in fase cubica, e le tipiche temperature di esercizio sono superiori

a 600 °C. Il catodo è costituito da un ossido a conducibilità elettronica

o a conducibilità mista ionica-elettronica, che catalizza la riduzione

dell’ossigeno e favorisce il trasferimento di ioni ossigeno all’elettrolita (Fig.

3a). A circuito chiuso, l’ossigeno migra attraverso l’elettrolita per raggiungere

l’anodo, dove reagisce con gli ioni idrogeno adsorbiti sul catalizzatore,

per liberare una molecola di acqua. Dato che entrambe le reazioni

agli elettrodi richiedono la presenza di punti tripli, cioè di siti dove le spe-

cie gassose siano in prossimità dell’interfaccia tra catalizzatore e conduttore

ionico, molto spesso entrambi gli elettrodi contengono anche una

determinata percentuale del materiale di cui è composto l’elettrolita.

Rispetto ad altre tipologie di cella, nelle quali l’elettrolita è in forma liquida,

le celle ad ossidi solidi presentano il vantaggio di essere interamente

costituite da componenti solidi, prevenendo così eventuali spostamenti

del liquido e riducendo i problemi di corrosione. Data l’elevata temperatura

di funzionamento, inoltre, le SOFC presentano una maggiore versatilità

nella scelta del combustibile e possono essere alimentate anche con

idrocarburi superiori e con miscele di gas contenenti monossido di carbonio.

Lo sviluppo delle SOFC inizia già negli anni Cinquanta. Storicamente,

la prima generazione di celle era costituita da elettrodi sottili applicati

su uno strato di elettrolita molto spesso, che costituiva anche il supporto

meccanico della cella.

Data l’elevata resistenza ohmica dell’ossido di zirconio e l’elevato spessore

dell’elettrolita, per ottenere buone prestazioni erano necessarie temperature

di esercizio prossime a 1.000 °C. In tempi recenti, grazie ai progressi

nello sviluppo dei materiali e delle tecnologie di produzione, si è

sempre più affermata una moderna architettura di cella, dove il supporto

meccanico è costituito dall’anodo, mentre l’elettrolita è uno strato molto

sottile (ca. 10-20 micron). Proprio grazie allo spessore ridotto dell’elettrolita,

questa configurazione permette di ridurre la temperatura di esercizio

nell’intervallo 700-800 °C, pur mantenendo una bassa resistenza ohmica.

La riduzione della temperatura di funzionamento permette, ovviamente,

di orientare la scelta dei materiali verso prodotti generalmente meno

costosi e più stabili nel tempo, con ovvi benefici dal punto di vista della

produzione su larga scala e dell’affidabilità dei sistemi di cogenerazione.

I vantaggi appena citati, uniti ad una serie di altre caratteristiche, hanno

spinto SOFCpower ad investire sullo sviluppo di celle supportate da

anodo con geometria planare.

L’anodo è tipicamente un composito metallico/ceramico (cermet) costituito

da nichel e ossido di zirconio. A livello produttivo, l’anodo viene fabbricato

a partire da ossido di nichel, che sarà successivamente ridotto a

nichel nella fase di primo avviamento della cella. Il catodo, catalizzatore

per la reazione di riduzione dell’ossigeno, è generalmente un ossido

semiconduttore di struttura tipo perovskite, di composizione generalmente

abbastanza complessa. La scelta della composizione del catodo è

relativamente flessibile e determina alcune delle principali proprietà elettrochimiche

delle SOFC. I materiali catodici attualmente considerati come

stato dell’arte sono di tipo (La,Sr)MnO 3 per impiego ad alta temperatura

(T= 800-900 °C) e (La,Sr)(Co,Fe)O 3 per applicazioni a temperature intermedie

(T= 700-800 °C).

Nov./Dic. ‘12 119

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Progetti di ricerca

Per supportare lo sviluppo di prodotto, a

medio e a lungo termine, SOFCpower ha

preso parte a diversi progetti europei del

Sesto Programma Quadro (FP6), tra cui Real-

SOFC, FlameSOFC e SOFC600, ed è attualmente

coinvolta in 8 progetti del Settimo Programma

Quadro (FP7), in cui collabora con

diversi partner industriali ed accademici, su

temi di ricerca rivolti allo sviluppo di nuove

tecnologie. Obiettivo del progetto ASSENT, è

l’aumento dell’efficienza del sistema tramite il

ricircolo dei gas anodici. Il lavoro è centrato

sul design del sistema, sistemi di controllo e

sviluppo di componenti critici.

Entrambi i progetti: GENIUS e DESIGN, sono

rivolti ad incrementare l’affidabilità dei sistemi

di controllo. L’obiettivo è di raggiungere una

conoscenza basilare del comportamento

dello stack e del sistema per creare un appropriato

strumento diagnostico in grado di prevenire

il danneggiamento e permettere di

estendere la vita dello stack. Questi strumenti

diagnostici sono ideati per essere integrati nei primi sistemi SOFC, che

saranno impiegati nelle prime campagne dimostrative di field testing.

I progetti LOTUS, RAMSES e ADEL si avvalgono dei dati ottenuti nel FP6

tramite il progetto SOFC600. Il progetto LOTUS ha l’obiettivo di sviluppare

ed integrare un sistema funzionante a 600-700 °C. Il progetto RAMSES

è rivolto alla produzione di celle SOFC supportate da metallo, che saranno

destinate alla realizzazione di stack di futura generazione. Il progetto

ADEL, è rivolto allo sviluppo di sistemi di elettrolisi per temperature intermedie

(700 °C), sfruttando energia e calore da fonti rinnovabili.

Nel 2012 l’azienda ha avviato due nuovi progetti: il T-CELL, che si rivolge

allo sviluppo di celle funzionanti in modalità “triodo”, in cui l’attività catalitica

dell’anodo è incrementata tramite l’applicazione di un potenziale

attraverso un circuito ausiliario e il progetto dimostrativo ENE.FIELD che

prevede l’installazione di circa 1.000 sistemi sul campo e che coinvolge,

oltre alla SOFCpower, altri 8 produttori di cogeneratori di tipo SOFC e

PEM. A livello nazionale, la società ha preso parte ad un progetto di 3

anni, denominato EFESO, indirizzato allo sviluppo di sistemi micro-CHP

per applicazioni residenziali. Il progetto, iniziato nel 2009, coinvolge 15

partner, tra cui ENEA, STMicroelectronics e diverse università italiane. Il

progetto è coordinato dal gruppo Ariston Thermo.

Tecnologia e ricerca

La tecnologia SOFCpower si basa sullo sviluppo di moduli e sistemi per

la cogenerazione di calore ed energia elettrica mediante celle a combustibile

ad ossidi solidi (SOFC).

L’architettura delle celle SOFC prodotte da SOFCpower si basa su celle

supportate da anodo. Questi dispositivi, di spessore complessivo di circa

Nov./Dic. ‘12

Fig. 4 - Linea di Tape Casting e forno per

sinterizzazione installati nell’impianto pilota di Mezzolombardo

0,3 mm, hanno un elettrolita a base di ossido

di zirconio dello spessore di 10 micron. L’anodo

è invece un composito a base di nichel

e ossido di zirconio. Sia anodo che elettrolita

vengono prodotti per tape casting, una tecnica

di formatura molto utilizzata nel campo dei

materiali ceramici avanzati, che consente di

ottenere film di spessore tipicamente compreso

tra pochi micron ed un millimetro. Questa

tecnologia, consiste nel disperdere la

materia prima, una polvere ceramica, in una

sospensione formata da uno o più solventi e

da un legante polimerico. La sospensione,

ottimizzata per garantire ben definite proprietà

dal punto di vista della stabilità e della reologia,

viene colata su un nastro e “tagliata” ad

uno spessore predefinito, mediante un sistema

di due lame regolate con un sofisticato

sistema di controllo micrometrico. Il nastro

ottenuto, in seguito all’evaporazione del solvente,

è perfettamente flessibile e può essere

facilmente tagliato nella geometria desiderata,

da cui si otterrà una semicella (anodo/elettrolita),

pronta per la sinterizzazione ad alta temperatura (Fig. 4).

Fin dall’inizio della sua esperienza nel campo delle SOFC, SOFCpower ha

puntato su processi di tape casting basati su sospensioni acquose. L’impiego

di acqua, in luogo dei più comunemente utilizzati solventi organici,

pone un grosso limite nella formulazione delle sospensioni, ma fornisce

innumerevoli vantaggi dal punto di vista della sicurezza, impatto ambientale

e manipolazione, oltre a ridurre significativamente i costi di produzione.

Dopo la prima sinterizzazione, la cella è pronta per un nuovo stadio

produttivo, che consiste nella stampa del catodo mediante serigrafia ed

un nuovo ciclo di sinterizzazione, questa volta a temperatura intermedia.

Lo sviluppo nel campo delle tecnologie ceramiche, per la produzione di

stack, non si limita tuttavia alla fabbricazione delle celle, anche se queste

costituiscono il cuore del sistema. Le buone prestazioni elettrochimiche

dimostrate dalle celle non sono, infatti, sufficienti per garantire la durabilità

di un sistema di cogenerazione, dove intervengono molteplici effetti,

molti dei quali ancora parzialmente sconosciuti. Per questo motivo, le problematiche

relative al degrado rappresentano alcuni argomenti di primaria

importanza nelle attività di ricerca e sviluppo condotte da SOFCpower.

Proprio lo studio dei fenomeni di degrado e lo sviluppo di modelli, che

permettano di valutare e prevedere la durabilità di sistemi SOFC operativi

in condizioni reali, sono gli obiettivi del progetto SOFC-life, in cui la società

è coinvolta tramite HTceramix. L’applicazione dei modelli sviluppati in

questo progetto, su sistemi SOFC basati su materiali convenzionali, permetterà

quindi di ridurre notevolmente la durata dei test necessari per

valutare il degrado dei sistemi, con benefici in termini di costi di R&D e

tempi di entrata sul mercato. Tra i problemi di degrado, quello di maggiore

impatto è sicuramente l’avvelenamento del catodo ad opera di com-


posti volatili di cromo, rilasciati dagli acciai ferritici di cui è composto lo

stack. SOFCpower ha sviluppato un processo di deposizione di un

coating protettivo, che limita la corrosione dell’acciaio e previene l’evaporazione

del cromo, pur mantenendo l’elevata conducibilità elettrica richiesta

nei collettori di corrente.

Per concludere la panoramica sui principali materiali sviluppati per la produzione

di sistemi SOFC, occorre citare i materiali sigillanti. Un’efficiente

separazione dell’ambiente anodico (combustibile) dall’ambiente catodico

(aria) è indispensabile per garantire il corretto funzionamento di uno stack.

Il sigillante, oltre ad essere perfettamente impermeabile ai gas, deve

anche essere chimicamente inerte rispetto ai materiali con cui è a contatto,

deve essere un isolante elettrico e deve avere delle soddisfacenti proprietà

meccaniche oltre ad una buona resistenza ai cicli termici. I materiali

sigillanti più impiegati nel settore SOFC sono normalmente paste ceramiche

o vetro-ceramiche, ma esistono anche alternative rappresentate da

brasanti e sistemi di tenuta in compressione. La ricerca nel campo dei

sigillanti, è attualmente uno dei settori di maggior interesse per gli sviluppatori

di pile SOFC planari. La robustezza e la durabilità delle celle ad

ossidi solidi non dipende solo da fattori interni, come il degrado intrinseco

dei materiali, ma principalmente da fattori esterni, come la presenza di

impurezze nel gas combustibile. Un esempio tipico è rappresentato dai

composti solforati normalmente impiegati come odoranti nella fornitura di

gas naturale per uso civile. Lo zolfo, contenuto in questi composti, è una

delle principali fonti di avvelenamento per l’anodo, pochi ppm di H 2 S sono

già sufficienti per degradare irreversibilmente le prestazioni elettrochimiche

della cella. Nonostante i sistemi di cogenerazione attualmente sviluppati

prevedano un’unità di desulfurizzazione a monte dello stack, eventuali

oscillazioni della concentrazione di H 2 S nel combustibile, dovute a

a) b)

Fig. 5 - Prototipi di HotBox TM (sinistra) ed ENGEN ® (destra) (copyright H. Munoz)

condizioni transitorie o di malfunzionamento del filtro, richiedono un determinato

livello di tolleranza allo zolfo. In questo ambito, SOFCpower, in collaborazione

con il CNR-ITAE di Messina, conduce delle attività rivolte allo

sviluppo di anodi tolleranti a brevi escursioni della concentrazione di H 2 S,

permettendo la reversibilità dell’avvelenamento per esposizione a basse

concentrazioni di zolfo, fino ad alcune decine di ppm.

Prodotti

L’azienda produce e commercializza diversi prodotti, tra i quali celle e pile

di celle planari nonché moduli cogenerativi funzionanti a gas naturale o

GPL a vari livelli di integrazione. Il focus dell’azienda è attualmente rivolto

al mercato della micro-cogenerazione di tipo on-grid, con sistemi di piccola

taglia da 1 e 2,5 kW elettrici. Un prodotto è costituito dal modulo

denominato HoTbox TM (Fig. 5a). Si tratta di un modulo cogenerativo che

integra una pila di taglia 1 kW e comprende il preriscaldatore catodico,

un’unità di reforming di tipo CPOx, un post-combustore, oltre all’isolamento

termico, alle resistenze elettriche per l’avviamento, e all’interfaccia

di collegamento fluidi ed elettrici.

Per gli integratori, l’HoTbox TM rappresenta una piattaforma ideale proprio

perché permette di concentrare le proprie competenze nell’integrazione e

sviluppo del sistema, senza preoccuparsi delle problematiche connesse

con i componenti ad alta temperatura che costituiscono il generatore con

celle SOFC (Fig. 5).

Oltre all’HoTbox TM SOFCpower ha sviluppato un prototipo di sistema

micro-CHP murale per installazioni domestiche denominato ENGEN-

1000 (Fig. 5b). Questo prodotto è realizzato in due taglie di potenza elettrica:

500 W e 1000 W. In maniera del tutto similare ad una normale caldaia

a condensazione, le principali connessioni tra l’ENGEN -1000 e il

sistema di riscaldamento domestico sono la linea di alimentazione del gas

naturale alla normale pressione di rete, l’uscita di acqua calda e il ritorno

di acqua fredda, un camino a tubi coassiali per lo scarico di gas, lo scarico

dell’acqua di condensa aria oltre ovviamente alle connessioni alla rete

elettrica. L’unità lavora con gas naturale fornito dalla rete di distribuzione

(metano o GPL). La produzione di energia elettrica di questo sistema ha

un’efficienza compresa tra il 30-32% e la co-generazione raggiunge gli

stessi valori di efficienza delle più innovative caldaie a condensazione.

Il sistema ENGEN ® può fornire fino a 8.750 kWh/a di energia elettrica e,

combinato con una caldaia standard da parete, attiva solo pochi momenti

della giornata per rispondere ai picchi di richiesta energetica, può fornire

tutta l’energia termica per l’impianto di riscaldamento domestico con

un risparmio di gas naturale ed un ritorno economico dell’investimento in

pochi anni.

ABSTRACT

SOFCPpower: an Italian Reality in the Distributed Power Generation

SOFCpower is an Italian company that develops and manufactures high efficiency power modules in close collaboration with European heat appliance OEMs

and utilities for domestic cogeneration and distributed power generation. SOFCpower high temperature electroceramic devices are based on planar Solid Oxide

Fuel Cells (SOFC) technology. SOFCpower focusses on the small size stationary market with two distinct products: a 1 kW wall-hung appliance and a 2.5 kW

floor-standing appliance able to provide 50% electric and 90% overall efficiency.

Nov./Dic. ‘12 121

GEI ERA 2012


122

CHIMICA &

GEI ERA 2012

NUOVI NANOMATERIALI

PER (BIO)SENSORI

Isensori elettrochimici stanno assumendo oggigiorno un ruolo di primario

interesse in molte applicazioni analitiche grazie ai vantaggi derivanti

dal costo relativamente basso, dall’elevata sensibilità e dalla

facilità d’uso. In particolare, nel settore biomedicale questi dispositivi

hanno raggiunto prestazioni ed affidabilità finora proprie soltanto di

esami specifici di laboratorio eseguiti con strumentazione altamente

costosa. La ricerca in questo settore è quindi in forte aumento ed è indirizzata

verso lo sviluppo di nuovi sensori elettrochimici sempre più performanti

e pronti ad essere inseriti nel circuito commerciale.

In questo articolo l’attenzione è stata focalizzata sul monitoraggio elettrochimico

dell’ossigeno disciolto (DO) mediante sensori amperometrici.

La misura della concentrazione di ossigeno disciolto nei liquidi (generalmente

espressa in mmoli/l, mg/l o ppm) è di notevole interesse in molteplici

applicazioni, ad esempio nelle attività di controllo ambientale delle

acque ad uso potabile, di monitoraggio degli impianti di depurazione e

di allevamenti ittici e, infine, in campo industriale, medico, biochimico,

microbiologico ed alimentare [1].

Il sensore di Clark, introdotto alcuni decenni fa, è tutt’ora il dispositivo

elettrochimico più impiegato per il monitoraggio dell’ossigeno disciolto

[2]. Esso si basa sulla rilevazione amperometrica dell’ossigeno ridotto al

catodo del sensore. Il flusso di corrente è proporzionale alla concentra-

Nov./Dic. ‘12

Salvatore Gianluca Leonardi a ,

Nicola Donato b , Davide Aloisio b ,

Luca Lombardo b , Emilio Patti b ,

Mariangela Latino a , Giovanni Neri a

a Dipartimento di Ingegneria Elettronica,

Chimica e Ingegneria Industriale

Università di Messina

b Dipartimento di Fisica della Materia

e Ingegneria Elettronica

gneri@unime.it

Nuovi materiali compositi nanostrutturati a base di platino ed ossidi metallici dispersi su ossido di grafene ridotto (Pt-MOx/RGO),

sono stati sintetizzati con una semplice tecnica sol-gel attivata mediante irraggiamento a microonde. I nanocompositi sintetizzati

sono stati utilizzati per la realizzazione di un sensore elettrochimico portatile di ossigeno disciolto in acqua.

zione di ossigeno che permea attraverso una membrana gas-permeabile

e diffonde al catodo (a base di Pt, Au o Ag) attraverso la soluzione elettrolitica.

Tale tipologia di sensore, notevolmente diffuso anche a livello

commerciale, pur garantendo ottime prestazioni, quali un basso limite di

rilevabilità ed elevata accuratezza, presenta alcune problematiche relative

alla complessità della fabbricazione e alle notevoli dimensioni che lo

rendono ingombrante e poco maneggevole.

Progressi in questo campo sono stati resi possibili dall’impiego di tecniche

di deposizione di film mediante screen-printing, che hanno permesso

la realizzazione di sensori amperometrici di ossigeno in formato planare,

di tecnologie biochimiche e di micro-fabbricazione fotolitografica.

Sono stati pertanto proposti sensori miniaturizzati che impiegano elettrodi

o microelettrodi a base di metalli nobili, ossidi metallici ed enzimi [2-4].

Comunque, anch’essi presentano una serie di problematiche e svantaggi,

basti pensare per esempio all’instabilità e quindi alla ridotta durata dei

sensori enzimatici.

Da molto tempo vengono pertanto compiuti sforzi atti alla ricerca di

nuovi materiali con lo scopo di superare le suddette problematiche. In tal

senso, l’impiego di materiali nanostrutturati sta suscitando notevole interesse

nell’ambito dei sensori elettrochimici [5]. Tali materiali, per via delle

dimensioni nanometriche dei grani, presentano caratteristiche, quali ele-


vata superficie specifica, eccellente attività

elettrocatalitica e facilità di trasferimento

elettronico, che li rendono ideali per la

realizzazione degli elettrodi dei sensori

elettrochimici. Inoltre, negli ultimi anni

sono state sviluppate nuove tecniche di

sintesi che consentono di ottenere in

maniera molto semplice e poco costosa

nanomateriali o strutture complesse di

dimensioni nanometriche.

Per la realizzazione di sensori elettrochimici

di ossigeno disciolto particolare

attenzione è stata finora prestata a nanoparticelle

di metalli nobili dispersi su varie

matrici elettrodiche [6]. Recentemente,

sono stati proposti sensori elettrochimici

a base di vari ossidi metallici a struttura

nanometrica [7]. Forte interesse hanno

suscitato inoltre nanostrutture a base di

carbonio (nanotubi di carbonio e grafene

in particolare) per via della loro elevata

conducibilità elettrica e quindi facilità di

trasferimento elettronico. Nanotubi di

carbonio, funzionalizzati con ossidi

metallici o metalli, sono stati quindi impiegati

con successo per la realizzazione

degli elettrodi di sensori elettrochimici [8].

Il grafene si è mostrato molto promettente

per l’impiego nei sensori di gas [9], ma

ha anche ricevuto considerevole interesse

per applicazioni nei sensori elettrochimici

[10]. Inoltre, opportunamente funzionalizzato con nanoparticelle

metalliche, ossidi o enzimi, consente di ottenere superfici elettrochimicamente

attive che, favorendo l’adsorbimento di molecole ed accelerando

il trasferimento elettronico tra queste ultime e gli elettrodi, consentono di

incrementare sensibilità e tempi di risposta dei sensori [11, 12].

In ragione di queste argomentazioni è stato intrapreso uno studio volto

ad investigare la sintesi di nanostrutture composite a base di grafene

funzionalizzato con ossidi metallici e/o metalli e il loro impiego nella formulazione

di elettrodi per sensori elettrochimici. In particolare, lo sviluppo

di tali dispositivi è stato finalizzato alla realizzazione di sensori elettrochimici

per il monitoraggio dell’ossigeno disciolto in acqua. Una semplice

tecnica sol-gel, attivata mediante l’utilizzo di microonde, è stata

impiegata per la preparazione di differenti materiali elettrodici a base di

Pt-MO x/RGO. Successivamente, ne è stata studiata l’attività elettrocatalitica

nei confronti della riduzione dell’ossigeno. Allo scopo di realizzare

un sistema di misura amperometrico idoneo per applicazioni sul campo,

i sensori sono stati fabbricati partendo da un substrato commerciale a

due elettrodi, modificando la superficie dell’elettrodo di lavoro con i

nanomateriali sintetizzati. È stato quindi realizzato un potenziostato por-

Fig. 1 - Micrografia SEM della superficie del nanocomposito SnO 2 /RGO

Fig. 2 - Voltammetria ciclica registrata con elettrodo di lavoro non

modificato e modificato con Pt-TiO 2 /RGO a differenti concentrazioni di

O 2 . Elettrolita: KCl 1 M. Velocità di scansione: 100 mV/s

tatile sviluppato ad hoc per il controllo

dei parametri operativi del sensore e

l’acquisizione del segnale.

Sintesi e caratterizzazione

nanomateriali compositi

La sintesi di nanostrutture composite del

tipo Pt-MO x /RGO (con MOx = SnO 2 o

TiO 2 ) è stata condotta mediante una

semplice procedura sol-gel in presenza

di irraggiamento a microonde. L’impiego

delle microonde è stato diretto principalmente

ad ottenere una riduzione dei

tempi di sintesi ed una migliore distribuzione

delle nanoparticelle di ossido

metallico e Pt sul grafene.

Il grafene ossido (GO) è stato utilizzato

quale materiale di partenza, su cui sono

stati dapprima depositati gli ossidi

metallici a partire dai rispettivi precursori,

SnCl 4 o Ti-isopropossido, in alcool benzilico.

La presenza di un agente riducente

quale l’alcool benzilico ha portato

anche alla contemporanea riduzione del

grafene ossido a grafene ossido ridotto

(RGO). La tipica nanostruttura dei compositi

sintetizzati è riportata nella micrografia

acquisita mediante microscopia

elettronica a scansione (SEM) di Fig. 1.

L’immagine, relativa al campione

SnO 2 /RGO mostra la superficie del grafene

ossido ridotto su cui sono disperse le nanoparticelle cristalline di

ossido metallico. Le nanoparticelle di platino sono state successivamente

depositate mediante riduzione di H 2 PtCl 6 in glicole etilenico. Il tempo

totale di sintesi è stato di circa 15-20 minuti, quindi notevolmente ridotto

rispetto alle circa 24 ore necessarie impiegando il metodo sol-gel tradizionale.

Una dettagliata descrizione della sintesi dei nanocompositi

della serie Pt-MO x /RGO e relativa caratterizzazione morfologica/microstrutturale

è riportata in un precedente studio [13].

I materiali compositi sono stati inoltre caratterizzati dal punto di vista elettrochimico

allo scopo di valutarne l’attività elettrocatalitica nella riduzione

dell’ossigeno, mediante l’impiego della voltammetria ciclica (CV). La CV

si basa sull’applicazione di un potenziale ciclico a forma di onda triangolare

agli elettrodi immersi in una soluzione non agitata. Al variare del

potenziale, in presenza di specie che possono essere ridotte (o ossidate)

vi è uno scambio di elettroni con l’elettrodo di lavoro, così da dare

luogo a una variazione della corrente misurata. Questo è riportato usualmente

in un diagramma corrente-potenziale (voltammogramma) che

mostra l’andamento della corrente misurata in funzione del potenziale

applicato, riferito ad un elettrodo standard (per esempio Ag/AgCl).

Nov./Dic. ‘12 123

GEI ERA 2012


124

CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 3 - Illustrazione schematica del sensore

I test di voltammetria ciclica sono stati eseguiti con velocità di scansione

di 100 mV/s, applicando un potenziale tra -2 e 2 V. È da rimarcare

che, nel caso di un sistema a due elettrodi, il potenziale riportato non fa

riferimento ad un elettrodo standard ma rappresenta semplicemente la

tensione applicata tra l’elettrodo di lavoro ed il contro-elettrodo.

I test sono stati condotti in soluzione 1 M di KCl de-areata insufflando

azoto per circa 15 minuti. Le varie concentrazioni di ossigeno disciolto

sono state ottenute con miscele gassose ossigeno/azoto a differente

rapporto. Confrontando i risultati della caratterizzazione CV per l’elettrodo

di lavoro non modificato (grafite) con quello modificato con Pt-

TiO 2 /RGO, in quest’ultimo è ben evidente un forte incremento di corrente

nella regione catodica (Fig. 2) che si innesca ad un potenziale di circa

-1,4 V in presenza di ossigeno disciolto.

Ulteriori esperimenti hanno mostrato che l’incremento di corrente è

influenzato dal carico di Pt, la specie elettrocataliticamente attiva, e dalla

natura dell’ossido metallico dispersi sul grafene. Gli aspetti legati al preciso

meccanismo della reazione di riduzione dell’ossigeno su questi

sistemi elettrochimici non sono del tutto ancora chiari, comunque alcune

ragionevoli ipotesi possono essere formulate. Sulla base dei dati preliminari

ottenuti si può ipotizzare che il grafene ossido ridotto, in virtù dell’elevata

area superficiale, garantisca un’elevata dispersione delle nanoparticelle

di Pt [14]. Non può essere escluso, in ogni caso, un effetto promotore

di natura elettronica basato sull’interazione metallo-ossido semiconduttore

[15]. Infine, il grafene ossido ridotto assicura il rapido trasferimento

elettronico verso la superficie dell’elettrodo [16].

Sulla base delle promettenti caratteristiche evidenziate dalle misure CV,

l’impiego di questi materiali nanostrutturati a base di Pt-TiO 2 /RGO è

stato quindi finalizzato alla fabbricazione di un sensore elettrochimico di

ossigeno disciolto in acqua.

Realizzazione sensore

ed elettronica di controllo

Per la fabbricazione del sensore è stato utilizzato

un substrato a due elettrodi commerciale, a

tutto vantaggio di semplicità, miniaturizzazione

e basso costo. Il dispositivo (Fig. 3) è costituito

da un supporto flessibile in materiale plastico al

di sopra del quale sono depositati i contatti elettrici

in argento. I due elettrodi, con le funzioni di

Nov./Dic. ‘12

Fig. 5 - Foto del dispositivo portatile di misura

Fig. 4 - Foto del sensore realizzato e micrografia SEM della superficie

dell’elettrodo di lavoro modificato con Pt-TiO 2/RGO

elettrodo di lavoro e contro-elettrodo aventi superfici rispettivamente pari

a 1,8 mm 2 e 6,2 mm 2, sono realizzati in grafite. L’intero supporto è infine

rivestito con un isolante lasciando scoperta la sola superficie degli

elettrodi.

La superficie dell’elettrodo di lavoro è stata quindi modificata nel modo

seguente: una sospensione è stata dapprima preparata disperdendo in

acqua i nanocompositi a base di Pt-TiO 2 /RGO e successivamente

depositata sopra l’elettrodo di lavoro avendo cura di mascherare completamente

la superficie sottostante.

Allo scopo di conferire maggiore stabilità meccanica ed allo stesso

tempo garantire un’adeguata conducibilità ionica, l’elettrodo modificato

è stato rivestito con una membrana elettrolitica polimerica (Nafion ®). In

Fig. 4 è mostrata una fotografia del sensore e una micrografia al microscopio

a scansione elettronica della superficie dell’elettrodo modificato

che ne mette in risalto l’elevata porosità.

A supporto delle misure da effettuarsi sul campo, è stato anche progettato

e realizzato un dispositivo portatile di misura. Il dispositivo, riportato

in Fig. 5, implementa un potenziostato di ridotte dimensioni, portatile e

di basso costo. L’hardware è composto da due schede: la prima di controllo

ed interfacciamento al PC; la seconda di condizionamento e conversione

del segnale proveniente dal sensore. Quest’ultima, controllata

dalla prima scheda, polarizza il sensore nelle diverse modalità di misura

e condiziona il segnale d’uscita dello stesso amplificandone la corrente

e convertendola in un valore digitale. Il software di gestione, realizzato in

Python, è un’interfaccia multipiattaforma, quindi può essere installata su

computer con diversi sistemi operativi. L’intero sistema è interfacciato e

alimentato tramite USB.

Monitoraggio dell’O 2 disciolto

Facendo funzionare il sensore in modalità

crono-amperometrica, ovvero applicando un

potenziale costante agli elettrodi e sotto agitazione,

è possibile registrare la corrente in funzione

del tempo. Il potenziale è stato settato a

-1,5 V. A questo potenziale, in accordo con i

dati di voltammetria ciclica, l’entità della corrente

in uscita dipende dalla concentrazione di

ossigeno disciolto nel liquido. In Fig. 6 è riportata

la risposta nel tempo del sensore immerso


Fig. 6 - Risposta dinamica del sensore Pt-TiO 2/RGO a varie

concentrazione di ossigeno disciolto in acqua. Potenziale -1,5 V

Fig. 7 - Curva di calibrazione del sensore

Pt-TiO 2/RGO. Potenziale -1,5 V

Fig. 8 - Test di riproducibilità del sensore Pt-TiO 2/RGO

Novel Nanomaterials for (Bio)Sensors

in acqua, in cui la concentrazione di O 2 è stata fatta variare impiegando miscele

azoto/ossigeno di differente composizione. Il sensore risponde rapidamente alle variazioni

di ossigeno (compatibilmente con i tempi di diffusione di quest’ultimo) recuperando reversibilmente

il segnale di base quando la soluzione è de-areata.

In Fig. 7 è riportata la relativa curva di calibrazione nell’intervallo di concentrazione di O 2

disciolto 0-1 mM. Per gli scopi pratici, la concentrazione massima da rilevare è quella corrispondente

all’ossigeno disciolto in acqua saturata con aria (conc. di O 2 disciolto circa 0,2

mmoli/l). In questo intervallo di concentrazione, la sensibilità del sensore è di circa 200

µA/mM x cm 2. La risposta del sensore a ripetuti pulsi di O 2 disciolto alla stessa concentrazione

(Fig. 8) dimostra inoltre la buona riproducibilità e stabilità del dispositivo, caratteristiche

queste, unite alla sensibilità e velocità di risposta, che sono di notevole importanza per

le applicazioni pratiche.

Conclusioni

Nuovi materiali nanostrutturati del tipo Pt-MeO x /RGO sono stati sintetizzati per mezzo di

una semplice tecnica sol-gel attivata mediante l’impiego di irraggiamento a microonde. Ciò

ha consentito di preparare materiali elettrodici che hanno mostrato una buona attività elettrocatalitica

nella riduzione dell’ossigeno, permettendo la realizzazione di un semplice sensore

elettrochimico di ossigeno disciolto. I test condotti hanno evidenziato le promettenti

caratteristiche del dispositivo, quali buona sensibilità, reversibilità, velocità di risposta, riproducibilità

e stabilità della risposta. Il sensore fabbricato, implementato di un’elettronica di

controllo e misura realizzata ad hoc, si configura come una soluzione a basso costo per il

monitoraggio in continuo dell’ossigeno disciolto in una varietà di applicazioni che spaziano

dall’industria agroalimentare, ittica al controllo ambientale.

Bibliografia

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ABSTRACT

Novel composite nanostructures, consisting of graphene sheets above which are dispersed platinum and metal oxides (Pt-MOx/RGO) were synthesized

by a simple sol-gel method assisted by microwave irradiation. The composite materials were used for the fabrication of a portable electrochemical sensor

for monitoring dissolved oxygen in water.

Nov./Dic. ‘12 125

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Immagini SEM di particelle di silice SBA-15 (A) e delle loro repliche

di carbone C15 (B) prodotte usando saccarosio come precursore

SUPPORTI DI CARBONIO

MESOPOROSI PER

ELETTROCATALIZZATORI

PER CELLE A COMBUSTIBILE

In questo articolo si presenta un’elaborazione dei lavori più recenti condotti dagli autori sullo sviluppo di nuovi materiali

elettrocatalitici che possono migliorare l’efficienza, le prestazioni e la stabilità delle celle a combustibile a bassa temperatura.


Linteresse nell’uso di generatori elettrochimici come le celle a

combustibile che consentono la conversione diretta dell’energia

chimica in energia elettrica è connesso da un lato con le

esigenze di risparmio energetico, poiché in linea di principio

dovrebbero garantire un’elevata efficienza di trasformazione, e, dall’altro,

con le sempre più pressanti esigenze di riduzione dell’inquinamento

ambientale, utilizzando vettori energetici più “puliti”, come l’idrogeno

ed il metanolo. Le celle a combustibile a membrana polimerica rappresentano

indubbiamente i generatori elettrochimici più promettenti nel

campo delle celle a bassa temperatura (inferiore ai 100 °C) per l’elevato

rendimento e per le buone caratteristiche di densità di potenza.

Le notevoli prestazioni di questi generatori si sono ottenute principalmente

grazie all’impiego e all’affinamento negli anni di sistemi elettrodici

MEA (Membrane Electrode Assembly) che rappresentano il cuore

tecnologico del sistema e sono costituiti da un unico gruppo estremamente

compatto che include gli elettrodi e l’elettrolita polimerico,

riuscendo in tal modo ad avere un’elevata superficie elettrodica attiva

ed una piccola resistenza elettrica della membrana.

Il MEA è costituito da un anodo e un catodo porosi entrambi alimentati

in continuo dai gas (il combustibile e l’ossidante) separati da un

elettrolita a membrana polimerica responsabile della conduzione protonica.

L’elettrolita polimerico maggiormente utilizzato per questo tipo

di applicazioni è il Nafion ® , prodotto dalla DuPont a partire dagli anni

Sessanta, la cui conduzione ionica è circa 0,1 S cm -1 in condizioni di

Nov./Dic. ‘12

Juqin Zeng, Alessandro Hugo Monteverde Videla,

Carlotta Francia, Claudio Gerbaldi,

Stefania Specchia

Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia

Politecnico di Torino

stefania.specchia@polito.it

completa idratazione della membrana. Naturalmente il buon funzionamento

di tale sistema necessita di catalizzatori efficaci per ridurre le

sovratensioni elettrodiche (soprattutto al catodo) e di appropriate tecnologie

di preparazione per la dispersione del catalizzatore. Ad oggi,

pur essendo disponibili sul mercato celle di questo tipo con buone

prestazioni, la possibilità di una loro ampia commercializzazione è

legata alla riduzione del costo di alcuni componenti, tra i quali il gruppo

MEA e il catalizzatore, a base di platino, rivestono certamente un

ruolo importante.

Come accade per tutti i generatori elettrochimici, le prestazioni di una

cella a combustibile sono strettamente legate alla costituzione degli

elettrodi. Gli elettrodi delle celle a combustibile sono il risultato di un

delicato equilibrio tra i vari fenomeni di trasporto: trasporto degli elettroni,

dei reagenti e dei prodotti della reazione in modo da ridurre le

sovratensioni al minimo. Inoltre la reazione elettrochimica che avviene

all’interno della cella è elettrocatalitica, dove le cinetiche associate alla

riduzione catodica contribuiscono per circa l’80% di tutte le sovratensioni

presenti [1]. Tutto questo riduce l’efficienza pratica della cella del

50% circa, perché l’esistenza di fenomeni irreversibili connessi alla reazione

elettrochimica comporta una diminuzione del potenziale di cella

V(I) sotto carico. Sin dai primi anni Sessanta, elettrocatalizzatori a base

di platino sono stati considerati come i materiali più validi per questo

tipo di sistema, data l’elevata attività catalitica del metallo sia verso

l’ossidazione dell’idrogeno che verso la riduzione dell’ossigeno.


Platino e leghe al platino rappresentano i catalizzatori di riferimento dell’attuale

tecnologia PEMFC, nonostante evidenti problemi associati agli

alti costi e alla bassa tolleranza del platino nei confronti di eventuali

impurezze presenti nel combustibile (quali CO e H 2 S). L’aumento di

prestazioni della cella deve essere ottenuto senza aumentare il carico

di catalizzatore ma, ad esempio, diminuendo il quantitativo di platino e

migliorando la sua dispersione nella massa elettrodica e quindi l’area

attiva [2]. Il metodo più comune per la preparazione di uno strato attivo

per PEMFC consiste nella formazione di una miscela di elettrocatalizzatore

e una soluzione del polimero che costituisce la membrana protonica

(normalmente Nafion) la quale viene poi stesa su uno strato di

carbone poroso attraverso cui diffonde il fluido reagente. Spesso negli

strati catalitici così preparati fino al 90% del platino presente può essere

inattivo e tra le possibili cause alla base di questa mancata attivazione

del catalizzatore sembrano particolarmente realistiche le seguenti:

un eccesso o difetto di ionomero Nafion che isola il catalizzatore dal

contatto con il reagente o impedisce la conducibilità protonica tra

membrana e catalizzatore per un’insufficiente dimensione dei pori;

un’insufficiente porosità del supporto del catalizzatore che impedisce

alle micelle acide del Nafion (diametro di circa 4 nm) di arrivare al catalizzatore

per assicurare il trasporto di protoni. Per aumentare le prestazioni

dello strato catalitico agli elettrodi, i catalizzatori sono supportati

su materiali ad elevata area superficiale, di solito carbone. La scelta

preferenziale verso i materiali carboniosi si basa sul fatto che essi, oltre

all’area superficiale elevata, sono caratterizzati da una porosità controllata,

da buona resistenza alla corrosione verso ambienti acidi o ossidanti

e, infine, sono relativamente poco costosi.

Un’elevata area superficiale del carbone assicura una dispersione ottimale

delle particelle di platino, che a sua volta comporta l’aumento dell’utilizzo

dei siti catalitici e dell’attività catalitica. Anche la porosità del

supporto svolge un ruolo fondamentale all’interno degli elettrodi, infatti,

è importante assicurare un buon contatto tra i conduttori elettronici

(carbone e metallo), il conduttore ionico (elettrolita polimerico) e i gas

reagenti perché la reazione elettrochimica abbia luogo.

Per aumentare la durata della cella fino alle 40.000-60.000 ore di funzionamento

richieste [3-4], la stabilità e l’elevata resistenza alla corrosione

del supporto sono caratteristiche importanti da considerare poiché,

strutturandolo in modo opportuno, si possono limitare eventuali

fenomeni di sinterizzazione delle particelle metalliche responsabili della

diminuzione dell’attività catalitica agli elettrodi nel tempo. I requisiti

necessari per un elettrocatalizzatore sono molteplici in quanto le reazioni

elettrodiche sono reazioni di superficie: dalla struttura, alle dimensioni

e alla dispersione delle particelle di platino dipende l’attività elettrocatalitica.

Nella tecnologia attuale PEMFC, gli elettrocatalizzatori a base di

platino sono supportati su carbon blacks di tipo “oil furnace” o “acetylene”

e per applicazioni pratiche, tra i vari carbon blacks commercialmente

disponibili, il Vulcan XC-72 prodotto dalla Cabot Corporation

sembra risultare il più utilizzato. Quest’ultimo presenta un’area superficiale

di circa 250 m 2 g -1 , con dimensioni delle particelle di circa 30 nm

e una conduttività elettronica di 2,77 S cm -1 .

Carboni mesoporosi

Nell’ultimo decennio, un crescente interesse verso la comprensione e

lo studio del supporto elettrocatalitico ha portato alla sintesi di un gran

numero di nuovi tipi di materiali carboniosi caratterizzati da meso- o

nanostrutture, quali nanotubi di carbonio, grafene, aerogel e carboni

con struttura mesoporosa ordinata e non [5]. I carboni mesoporosi

sono caratterizzati da aree superficiali che si estendono fino a 1.800

m 2g -1, da diametri dei pori uniformi nell’intervallo tra i 2-10 µm, elevata

stabilità termica, chimica e meccanica. Da quando Joo et al. [6] hanno

introdotto nella cella a combustibile dei catalizzatori di platino supportati

su carbone mesoporoso nel 2001, la ricerca e lo studio di questi

materiali è stata rivolta verso lo sviluppo di supporti con una morfologia,

una struttura e una dimensione dei pori controllata [7-9].

La preparazione dei carboni mesoporosi si basa su una sintesi molto

semplice in cui un templante di silice di struttura mesoporosa ordinata

viene trattato per infiltrazione con una soluzione contenente il precursore

del carbonio (di solito saccarosio o alcool furfurilico), seguita da carbonizzazione

del materiale e dalla successiva rimozione della silice con

NaOH o HF. La struttura risultante costituisce una replica esatta della

silice di partenza. A questo scopo materiali come MCM-48, MCM-41,

SBA-15 o SBA-16 si sono rivelati matrici inorganiche efficaci da cui si

ottengono mesostrutture di carbone di diversa tipologia, ben controllabile.

Con questo metodo è possibile preparare materiali con struttura

mesoporosa differente, anche partendo dalla stessa matrice, semplicemente

variando i rapporti molari tra la silice e il precursore del carbone

in modo da ottimizzare la struttura del supporto catalitico che verrà poi

introdotto nella PEMFC [10]. La successiva preparazione del catalizzatore

supportato comporta un trattamento del carbone mesoporoso

con una soluzione di acido esacloroplatinico o altro precursore del

metallo, che poi viene ridotto in flusso di idrogeno a 300 °C o alternativamente

con NaBH 4 . Data l’elevata area superficiale che caratterizza

Fig. 1 - Immagine HRTEM di una replica di un carbone ottenuta per impregnazione

dalla SBA-15 con una soluzione di saccarosio e successiva carbonizzazione;

sono ben visibili i canali monodimensionali allineati

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GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 2 - Immagini HRTEM di particelle di platino depositate su supporto mesoporoso carbonioso:

direzione perpendicolare (A) e direzione parallela (B) rispetto ai canali monodimensionali di carbone

Fig. 3 - Curve di polarizzazione (A) e di potenza specifica (B) per una cella a combustibile di 5 cm 2 ,

alimentata ad idrogeno e ossigeno puri, a 80 °C, assemblata con diversi MEA

questo tipo di materiali, la dispersione delle particelle di platino viene

favorita su questo tipo di supporto e questo influisce sull’attività catalitica,

soprattutto per quanto riguarda le cinetiche associate alla semireazione

di riduzione dell’ossigeno, che è particolarmente sfavorevole.

A titolo di esempio, in Fig. 1 si riporta un’immagine HRTEM di una replica

in carbone preparata a partire da un templante di silice SBA-15. La

silice mesoporosa SBA-15 è una delle matrici più utilizzate per la preparazione

dei carboni mesoporosi, caratterizzata da simmetria esagonale,

con un’area superficiale BET molto elevata, oltre i 900 m 2g -1. La

replica di carbone che si ottiene per impregnazione della SBA-15 con

una soluzione di saccarosio e successiva carbonizzazione, è caratterizzata

da canali monodimensionali allineati, ben visibili in Fig. 1, che sono

tipici di questi materiali. L’inserimento delle particelle di platino sul supporto

di carbone mesoporoso non modifica la sua struttura, come si

può osservare in Fig. 2, dove si riportano le immagini HRTEM del catalizzatore

viste lungo la direzione perpendicolare (Fig. 2A) e lungo la direzione

parallela (Fig. 2B) rispetto ai canali monodimensionali di carbone.

Come si può notare, l’elevata area superficiale del supporto mesoporoso

facilita la dispersione delle particelle di platino che risultano omogeneamente

distribuite [11].

L’estrema versatilità di questi materiali e la facilità di sintesi rende possibile

la preparazione di supporti con particolari caratteristiche strutturali

che possano meglio adattarsi alle applicazioni elettrocatalitiche delle

celle a combustibile. La struttura mesoporosa ordinata e uniforme del

supporto può essere modulata variando leggermente i parametri di sin-

Nov./Dic. ‘12

tesi, in particolare materiali con pori di grandi dimensioni

sono altamente desiderabili nella preparazione dei

supporti elettro-catalitici per favorire i processi di trasferimento

di massa all’interno dello strato catalitico [12].

Con l’aggiunta di semplici additivi durante le fasi di sintesi,

quali l’acido borico che agisce da agente espansore

dei pori, le dimensioni dei pori nella struttura mesoporosa

del supporto di carbone possono essere facilmente

variate. Cambiando il tipo di precursore, ad esempio,

utilizzando una soluzione che contiene il pirene al posto

del saccarosio nella fase di impregnazione della silice, si

ottiene un carbone mesoporoso con un grado di grafitizzazione

maggiore, e quindi una maggior conduttività

elettronica. Analogamente, si può ottenere una struttura

mesoporosa a canali tridimensionali utilizzando un

templante siliceo come l’SBA-16, caratterizzata a sua

volta da una struttura ordinata cubica tridimensionale.

In Fig. 3 si evidenzia come le caratteristiche elettriche

(curva di polarizzazione, Fig. 3A) e la potenza specifica

(Fig. 3B) di una cella a combustibile di 5 cm 2, alimentata

ad idrogeno ed ossigeno puri, possono essere variate

utilizzando al catodo degli elettrocatalizzatori di platino

supportati su tipi di carboni mesoporosi differenti. In

tutti i casi, la percentuale in peso del metallo nel catalizzatore

è fissata al 10%, le condizioni operative di cella

sono le stesse (T cella =80 °C) così come il carico catalitico sugli elettrodi

(0,5 mg cm -2). Con le sigle C15 sucr e C15 pyr si denotano carboni mesoporosi

preparati a partire dall’SBA-15 utilizzando rispettivamente saccarosio

e pirene come precursori e con C16 si denota il carbone mesoporoso

ottenuto dalla matrice SBA-16. Infine C15 sucr+boric si riferisce al

supporto di carbone preparato dall’SBA-15, utilizzando una soluzione

di saccarosio addizionata ad acido borico come agente espansore dei

pori. Osservando i diversi andamenti delle curve di polarizzazione della

cella a combustibile è facile comprendere come le prestazioni di cella

dipendano fortemente dalla struttura mesoporosa del supporto nell’elettrocatalizzatore

utilizzato al catodo e che la presenza una mesostruttura

tridimensionale faciliti la semi-reazione di riduzione dell’ossigeno

favorendo soprattutto i fenomeni di trasferimento di massa.

Hollow core mesoporous shell carbons

L’interesse verso questi tipi di materiali carboniosi ha condotto la ricerca

verso lo studio di nuove strutture che possiedono una struttura

macroporosa ben definita interconnessa da meso/micro pori. Tali supporti

carboniosi, noti come hollow core mesoporous shell carbons

(HCMSC), sono considerarti molto promettenti per applicazioni elettrocatalitiche

poiché tale struttura porosa bimodale favorisce ulteriormente

i processi di trasferimento di massa. Questo tipo di supporti possono

essere facilmente preparati a partire da submicrometer-sized solid

core mesoporous shell silica (SCMC) per impregnazione con saccarosio,

successiva pirolisi a 900 °C e rimozione della silice con HF. Elettro-


Fig. 4 - Immagine SEM (A) di particelle di silice e immagine HRTEM (B)

di particelle di HCMSC preparate come replica delle particelle di silice

catalizzatori di platino supportati su HCMSC hanno dimostrato di essere

particolarmente efficaci non solo verso la riduzione catalitica dell’ossigeno,

ma anche nei confronti dell’ossidazione diretta del metanolo. La

Fig. 4 mostra come appaiono le particelle di silice e le particelle di

HCMSC all’analisi HRTEM. Le particelle di silice (Fig. 4A) sono di forma

sferica e uniformi, con un diametro medio di 430 nm, mentre le particelle

di carbone HCMSC (Fig. 4B) posseggono un diametro medio di

circa 410 nm, con un diametro della cavità di 305 nm e uno spessore

delle pareti di 55 nm. [13]. Questi materiali sono anche caratterizzati da

un’elevata area superficiale, superiore a 1.200 m 2g -1 e da un volume

totale dei pori di 1,06 cm 3g -1. Tali caratteristiche rendono questi materiali

dei supporti ottimali per la dispersione del platino (o di leghe di platino)

per applicazioni di celle a combustibile. In particolare, electrocatalizzatori

di platino supportati su HCMSC (Pt/HCMSC) hanno mostrato

un’attività catalitica maggiore dei catalizzatori commerciali, aventi lo

stesso contenuto di metallo nobile, soprattutto verso l’ossidazione del

metanolo. L’analisi tramite voltammetria ciclica (Fig. 5) in soluzioni

acquose acide contenenti metanolo ha evidenziato un maggior utilizzo

del catalizzatore di platino quando è supportato su HCMSC, inoltre la

particolare struttura porosa del supporto carbonioso rende minime le

limitazioni dovute al trasporto di massa.

Bibliografia

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Storage and Conversion, Wiley-VCH, Weinheim, 2011, 601.

[2] A.S Aricò et al., Electrochemistry Communications, 2004,

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[3] R. Borup et al., Chemical Reviews, 2007, 107, 3904.

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[6] S.H. Joo et al., Nature, 2001, 412, 169.

[7] H. Liu et al., Journal of Power Sources, 2006, 155, 95.

Conclusioni

I recenti sviluppi nel settore dei supporti per elettrocatalizzatori

hanno permesso di sviluppare tutta una serie di materiali

carboniosi a struttura complessa, con lo scopo di soddisfare

i molteplici requisiti degli elettrodi per celle a combustibile

a membrana polimerica. Tra i vari tipi di supporti carboniosi,

quelli mesostrutturati sono particolarmente interessanti

per la loro facilità di sintesi e per le loro particolari

caratteristiche strutturali, che permettono di ottenere elettrocatalizzatori

ad elevata porosità ed elevata dispersione del platino,

permettendo quindi di ridurre il contenuto di metallo prezioso. I MEA

preparati con elettrocatalizzatori a base di platino disperso su supporti

carboniosi di tipo mesoporoso hanno permesso di ottenere buone prestazioni

in cella a combustibile.

Fig. 5 - Voltammetria ciclica in soluzione acquosa acida (0,5 M H 2 SO 4 ) contenente

metanolo (1,0 M CH 3 OH) per elettrocatalizzatori a base di platino supportato

su HCMSC e su Vulcan

[8] L. El Mir et al., Physica B, 2007, 395, 104.

[9] D. Sebastián et al., International Journal of Hydrogen Energy,

2012, 37, 6253.

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2008, 38, 1019.

[12] J. Zeng et al., Industrial & Engineering Chemistry Research,

2012, 51, 7500.

[13] J. Zeng et al., Journal of Solid State Electrochemistry,

2012, 16, 3087.

ABSTRACT

Mesoporous Carbon Supports for Fuel Cell Electrocatalysts

The Authors survey their recent works regarding the development of new electrocatalyst materials for fuel cell applications. In particular, mesoporous carbon

supports for fuel cell electrocatalysts preparations are here presented, and their structural and electrocatalytic characteristics are evaluated. These materials

appear suitable as support for platinum particles, in particular to reduce the platinum content, and increase the performance of the PEMFC.

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CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 1 - Schema di funzionamento di una cella litio-ione

che utilizza grafite all’anodo e un materiale ad intercalazione al catodo

ACCUMULATORI LITIO-IONE,

ELEMENTI CHIAVE PER

UNA POLITICA ENERGETICA

SOSTENIBILE

Gli accumulatori litio-ione sono un sistema di accumulo dell’energia ad elevata densità d’energia. Inizialmente chiave per lo sviluppo

dell’elettronica portatile, sono oggi di fondamentale importanza nell’evoluzione energetica sostenibile. L’utilizzo di questo sistema

presenta tuttavia una serie di problemi da risolvere. In questo articolo sono descritti i sistemi d’accumulo litio-ione e le possibili

strade da percorrere per migliorarne le prestazioni.

Lattuale


sistema energetico, basato sulla combustione dei

combustibili fossili, pone il serio problema del rilascio di gas

serra nell’atmosfera collegato con il fenomeno del riscaldamento

globale. L’utilizzo di sistemi di trasporto a trazione elettrica

o ibrida e sistemi di produzione dell’energia da fonti rinnovabili

rappresenta una possibile soluzione a questo problema. In questo

scenario sono d’interesse strategico i sistemi di accumulo dell’energia,

sia per quanto riguarda la trazione elettrica che per l’accumulo stazionario

necessario per il load-levelling nei sistemi di produzione dell’energia

da fonti alternative di tipo discontinuo, come il solare e l’eolico.

Fra i vari sistemi di accumulo dell’energia quello elettrochimico presenta

delle ottime caratteristiche di efficienza, in particolare per la trazione

Nov./Dic. ‘12

Giuseppe Antonio Elia, Maria Assunta Navarra

Dipartimento di Chimica

Università di Roma “La Sapienza”

giuseppeantonio.elia@uniroma1.it,

mariassunta.navarra@uniroma1.it

elettrica. Fra gli accumulatori elettrochimici gli accumulatori litio-ione

sono quelli che presentano la più elevata densità d’energia, dell’ordine

di 150 Wh/kg o 350 Wh/l in sistemi convenzionali, più di due volte

superiore agli altri sistemi di accumulo elettrochimico, come piombo

acido e nichel metallo idruro. L’interesse per il litio come materiale anodico

per accumulatori nasce dal suo basso potenziale redox (-3,04 V

vs l’elettrodo standard a idrogeno), che permette di ottenere accumulatori

con elevata tensione e dal basso peso molecolare, che conferisce

alla reazione elettrochimica di ossidazione del litio metallico Li →

Li + + e - una capacità specifica teorica di 3.861 mAh/g. I vantaggi legati

all’uso del litio metallico in un accumulatore vennero per la prima

volta dimostrati negli anni Settanta con una cella a litio primaria [1]. In


Fig. 2 - Scala potenziali vs Li/Li + di vari materiali elettrodici in confronto

alla finestra di stabilità dei convenzionali elettroliti a base di carbonati.

Immagine ottenuta dal riferimento [7] con licenza Elsevier n. 2984820340356

seguito la scoperta di numerosi composti a intercalazione capaci di

reagire reversibilmente con il litio fu cruciale per lo sviluppo di accumulatori

a litio ricaricabili. Ben presto fu evidente come l’uso del litio

metallico quale materiale anodico per accumulatori presentasse notevoli

problemi di sicurezza e stabilità legati alla presenza di un metallo

altamente reattivo come il litio che, in caso di potenziale rottura del

contenitore dell’accumulatore, verrebbe esposto all’ossigeno dell’aria

con conseguente reazione violenta; inoltre il processo elettrochimico di

dissoluzione-deposizione del litio porta alla formazione di dendriti che

cortocircuitano l’accumulatore limitandone così la vita di ciclo.

La sostituzione del litio metallico con un materiale ad inserzione, dimostrato

per la prima volta dal gruppo di ricerca di Murphy [2] e dal gruppo

di ricerca di Scrosati [3] agli inizi degli anni Ottanta, permette di

ottenere un accumulatore intrinsecamente più sicuro e risolve il problema

della formazione dei dendriti.

Il sistema prese il nome di Li-ion o rocking-chair batteries. In Fig. 1è

riportato lo schema tipo di questi accumulatori che in genere utilizzano

grafite come materiale anodico ed un ossido di metallo di transizione

al catodo. La prima applicazione commerciale di questo tipo di

accumulatori avvenne nel 1991, con la commercializzazione da parte

della Sony di un accumulatore litio-ione che utilizza come anodo grafite,

come catodo litio cobalto ossido (LiCoO 2 ) e come elettrolita una

soluzione di sale di litio a base di alchilcarbonati. Questo tipo di accumulatore

ha una tensione di cella superiore a 3,6 V ed una densità d’energia

di 120-150 Wh/kg [4].

Ormai, a più di vent’anni dalla commercializzazione, questo sistema è

ancora il più utilizzato per gli accumulatori dei dispositivi portatili. Questo

tipo di accumulatore non presenta parametri di sicurezza, efficienza

e prestazioni tali da permetterne l’applicazione in veicoli elettrici o

accumulatori stazionari. Ciò implica una necessaria ricerca al miglioramento,

con lo sviluppo di materiali innovativi sia per il comparto anodico

che per il comparto catodico e lo studio di nuovi elettroliti atti ad

incrementare la sicurezza e le prestazioni di questi dispositivi.

Ottimizzazione della sicurezza

negli accumulatori litio-ione

La sostituzione dei materiali elettrodici attualmente usati con materiali

caratterizzati da parametri di sicurezza più elevati rappresenta una possibile

evoluzione dei sistemi convenzionali. Il LiCoO 2 in condizioni di

sovraccarica può rilasciare ossigeno che può reagire con l’elettrolita, che

essendo infiammabile può dare luogo all’esplosione dell’accumulatore.

Sulla superficie della grafite durante il primo ciclo di scarica si ha la formazione

di un film di passivazione con concomitante decomposizione

dell’elettrolita. L’uso di materiali chimicamente più stabili permette di

ovviare al problema. Al catodo, il litio ferro fosfato LiFePO 4 (LFP) [5], per

via del più forte legame dei gruppi PO 4 rispetto al CoO 2 , presenta una

maggiore stabilità chimica, che si riflette in una maggiore vita di ciclo ed

una minore tendenza a dare reazioni parassitarie. Inoltre questo materiale,

utilizzando il ferro al posto del cobalto come metallo di transizione è

meno tossico e costoso, mantenendo comunque delle ottime prestazioni;

infatti, nonostante la più bassa tensione di lavoro (3,4 V vs Li +/Li

rispetto a 3,6 V vs Li +/Li di LiCoO 2 ) possiede una capacità specifica più

elevata (170 mAhg -1 rispetto ai 140 mAhg -1 di LiCoO 2 ). All’anodo, i

materiali con i parametri di sicurezza più elevati sono quelli a base di titanio,

in particolare il litio titanio ossido Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) [6]. Questo materiale

ha un potenziale di lavoro di 1,5 V vs Li +/Li, il che rende intrinsecamente

più sicuro il materiale, infatti, l’accumulatore non raggiunge il potenziale

che porta alla decomposizione dell’elettrolita, tipicamente minore di 0,8

V vs Li +/Li. La rappresentazione grafica dei potenziali elettrochimici dei

materiali più utilizzati in confronto alla stabilità elettrochimica delle soluzioni

elettrolitiche a base di carbonati comunemente usate è riportata in Fig.

2 [7]. Naturalmente l’incremento in sicurezza ha come prezzo la riduzione

in densità d’energia dell’accumulatore. Infatti, una cella litio-ione

LTO/LFP avrebbe una tensione di 2 V, inoltre la capacità specifica del

Li 4 Ti 5 O 12 è più bassa della grafite (175 mAhg -1 rispetto ai 372 mAhg -1

della grafite); questo viene controbilanciato dal miglioramento in termini

di sicurezza del sistema, oltre che dai minori costi, e della minore tossicità

dei componenti.

Oltre allo sviluppo di nuovi materiali elettrodici, è di fondamentale importanza

lo sviluppo di nuovi sistemi elettrolitici, che sostituiscano quelli

attualmente utilizzati a base di solventi organici volatili ed infiammabili. Di

notevole interesse per questo tipo di applicazioni sono i liquidi ionici, sali

allo stato liquido a temperature inferiori a 100 °C [8]. Tipicamente i liquidi

ionici sono costituiti da un catione di grandi dimensioni (fra i più utilizzati

il pirrolidinio e l’imidazolio) ed un anione con elevata delocalizzazione

di carica (fra i più utilizzati la bis(trifluorometan)sulfonimmide

(CF 3 SO 2 ) 2 N - ); tali caratteristiche rendono difficile la cristallizzazione di

questa classe di composti. I liquidi ionici sono caratterizzati dall’avere

un’elevata conducibilità, una buona compatibilità ambientale, e soprattutto

sono caratterizzati da un’elevata stabilità termica. Infatti, al contrario

dei carbonati alchilici, volatili ed infiammabili, tipicamente usati come

solventi nell’elettrolita, i liquidi ionici sono stabili fino a temperature dell’ordine

di 300-400 °C e non sono infiammabili.

Inoltre la varietà di liquidi ionici ottenibili è enorme, garantendo una fonte

Nov./Dic. ‘12 131

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

inesauribile di materiale per soddisfare le

richieste che derivano dallo sviluppo di

nuovi dispositivi. Alcune classi di liquidi ionici

sono chimicamente stabili in un’ampia

finestra di potenziale, cosa che permette di

utilizzare in sicurezza materiali catodici ad

elevato potenziale come i LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4

(4,7 V vs Li +/Li) o il LiCoPO 4 (5 V vs Li +/Li)

[9], con i quali si possono ottenere accumulatori

ad elevato potenziale e con elevata

densità d’energia. L’uso dei liquidi ionici

negli accumulatori necessita comunque di

un ulteriore sviluppo; infatti, non è del tutto

chiarita la questione della stabilità dei liquidi

ionici a bassi potenziali (potenziali minori di

0,8 V vs Li/Li +) [10]. L’instabilità a bassi

potenziali si riscontra tipicamente nei liquidi

ionici che utilizzano cationi a base di imidazolio,

mentre quelli a base di pirrolidinio presentano

una migliore stabilità catodica.

L’uso dei liquidi ionici è però ancora limitato

dall’elevato costo, per questo in molti lavori

i liquidi ionici vengono utilizzati come additivi

ai convenzionali elettroliti a base di carbonati,

in concentrazioni tali da garantire un

miglioramento della stabilità termica [11].

Naturalmente la sicurezza è solo uno dei

parametri per lo sviluppo degli accumulatori

litio-ione, altrettanto fondamentale è lo sviluppo

di sistemi con maggiore densità d’energia.

Incremento delle prestazioni

dei sistemi litio-ione

Per un’applicazione in auto elettrica è

impensabile utilizzare i sistemi litio-ione attuali, che hanno una densità

d’energia di 140 Wh/kg, per cui è possibile ottenere un’autonomia di

150 km utilizzando un accumulatore di 160 kg. È necessario quindi lo

sviluppo di accumulatori con maggiore densità d’energia e per questo è

necessario sviluppare materiali elettrodici con elevata capacità specifica.

Lo stagno ed il silicio presentano ottime caratteristiche in quest’ottica;

infatti, questi materiali formano reversibilmente lega con il litio fino a formare

Li 4,4 Sn e Li 4,4 Si, potendo fornire una capacità specifica rispettivamente

di 990 mAhg -1 e 4200 mAhg -1 , molto più elevata rispetto ai 372

mAhg -1 della grafite usata nei dispositivi convenzionali. L’applicazione di

questi materiali è però limitata dalla bassa vita di ciclo; questo problema

è legato alla grande variazione di volume che subisce il materiale, in

seguito al processo di alligazione, che provoca un forte stress meccanico

al materiale con conseguente formazione di fratture che, al procedere

dei cicli di carica e scarica, provoca la polverizzazione del materiale

Nov./Dic. ‘12

Fig. 3 - A) Immagine TEM del nanocomposito Sn-C, B)

prestazioni elettrochimiche in cella a litio del nanocomposito

Sn-C [12]. Immagini ottenute dal riferimento [12] con licenza

Wiley n. 2983651429407

Fig. 4 - Capacità totale di un accumulatore litio-ione 18650, in

funzione della capacità del materiale anodico, per un catodo con

capacità di 140 mAhg -1 (pallini neri), ed un catodo con capacità

di 200 mAhg -1 (pallini bianchi) [13]. Immagine ottenuta dal

riferimento[13] con licenza Elsevier n. 2982590762387

con conseguente perdita della capacità

dell’accumulatore. Lo sviluppo di materiali

nanostrutturati ha permesso di migliorare

enormemente le prestazioni di questi materiali;

la riduzione della dimensione delle particelle

fa in modo che il materiale subisca

meno lo stress meccanico, limitando così il

fenomeno della polverizzazione del materiale

attivo e della perdita della capacità al

procedere dei cicli. Inoltre, la diminuzione

della dimensione delle particelle diminuisce

il cammino diffusionale del litio migliorando

notevolmente la risposta del materiale ad

alte correnti. Il problema legato ai materiali

nanostrutturati è la minore densità volumetrica

che si riflette in una bassa densità d’energia

volumetrica; inoltre, l’elevata area

superficiale che caratterizza questi materiali

provoca una maggiore presenza di fenomeni

di decomposizione dell’elettrolita con

conseguente aumento dei problemi di sicurezza

legati al dispositivo. Una possibile

soluzione al problema è l’uso di materiali

compositi metallo-carbone nanostrutturati,

in cui le particelle nanometriche sono disperse

in una matrice carboniosa. La matrice

carboniosa migliora la stabilità del materiale

tamponando la variazione di volume

del metallo, inoltre l’ottimizzazione della

morfologia permette di ottenere un materiale

con maggior densità volumetrica. Un

esempio è il composito stagno-carbone,

proposto dal gruppo di ricerca di Scrosati,

ottenuto per decomposizione in ambiente

riducente di un gel resorcinolo-formaldeide

impregnato con un composto organo-metallico dello stagno [12].

Le immagini TEM riportate in Fig. 3A mostrano la morfologia del composto

in cui le nanoparticelle di stagno sono intrappolate nella matrice carboniosa.

Questa morfologia permette di ottenere una notevole stabilità,

come si può vedere dal grafico di capacità specifica in funzione del

numero dei cicli riportato in Fig. 3B.

Infatti, grazie alla presenza della matrice carboniosa che tampona la

variazione di volume dello stagno, viene migliorata notevolmente la stabilità

del materiale e si incrementa la densità volumetrica del materiale

aumentandone la densità d’energia volumetrica.

Nonostante lo sviluppo di materiali anodici con elevata capacità specifica,

la capacità dell’accumulatore litio-ione è comunque limitata dalla

capacità specifica dei materiali catodici, come si può vedere dalla Fig. 4,

dove viene riportata la capacità gravimetrica totale (che comprende,

oltre al peso dei materiali catodici ed anodici, il peso degli altri compo-


nenti della cella: portacorrente, separatore ecc.) di un accumulatore litioione

in funzione della capacità del materiale anodico [13].

I materiali catodici a base di ossidi di metalli di transizione (LiCoO 2 , LiFe-

PO 4 , LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 ) hanno capacità specifiche che

non superano i 200 mAhg -1; per questo è necessario lo sviluppo di nuovi

materiali catodici che permettano di raggiungere densità d’energia superiori

a 400 Wh/kg che permetterebbero di far raggiungere ad un auto

elettrica un’autonomia superiore ai 450 km. La reazione di conversione

dello zolfo a solfuro di litio (1), presenta una tensione di lavoro di 2,23V

vs Li +/Li ed ha una capacità specifica teorica di 1.675 mAhg -1, un ordine

di grandezza superiore rispetto ai convenzionali catodi ad intercalazione:

Li + + S + 2e - → Li 2 S (1)

Queste caratteristiche permetterebbero di sviluppare accumulatori a elevata

densità d’energia, fino a raggiungere i 600 Wh/kg, garantendo

un’autonomia maggiore di 400 km ad un’auto elettrica. Questa tecnologia

è ancora in fase di sviluppo a causa dei problemi che presenta. La

reazione di riduzione dello zolfo a solfuro di litio procede per fasi successive

con la formazione di una serie di polisolfuri, nell’ordine: S 8 , Li 2 S 8 ,

Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S; la solubilità dei polisolfuri all’interno dell’elettrolita

rappresenta il principale problema di questo tipo di sistema; infatti la solubilizzazione

dello zolfo all’interno della soluzione elettrolitica provoca una

perdita del materiale attivo con la conseguente perdita della capacità dell’accumulatore

al procedere dei cicli di carica e scarica. La bassa conducibilità

elettronica dello zolfo si riflette nel cattivo comportamento del

materiale quando si utilizzano elevate correnti. Inoltre, il sistema prevede

l’uso del litio metallico come anodo, con tutti i problemi di sicurezza che

questo implica, oltre al problema della formazione di dendriti che possono

andare a cortocircuitare la cella. L’ottimizzazione della morfologia del

materiale catodico permette di migliorare le prestazioni del sistema. L’inclusione

del materiale attivo all’interno di una matrice carboniosa limita la

solubilizzazione dei polisolfuri, non essendo lo zolfo a diretto contatto con

la soluzione elettrolitica, inoltre, la resistenza elettronica complessiva del

materiale composito è notevolmente inferiore grazie alla presenza della

matrice carboniosa, migliorando così le prestazioni ad elevate correnti.

Un esempio di questo tipo di morfologia è riportato in Fig. 5 in cui lo zolfo

viene disperso all’interno di nano-sfere di carbone [14].

I problemi di sicurezza legati all’uso del litio metallico nelle batterie litiozolfo

possono essere aggirati dall’uso di materiali anodici alternativi ad

elevata capacità specifica. Questo tipo di approccio è stato per la prima

volta dimostrato dal gruppo di Scrosati, utilizzando un catodo a base di

solfuro di litio ed un anodo ad elevata capacità specifica a base di stagno-carbone

ed utilizzando un elettrolita polimerico di polietilenossido

(PEO), uno schema di questo tipo di accumulatore viene riportato in Fig.

6A. Come si può vedere dai profili di potenziale della cella, riportati in Fig.

6B, il sistema mostra una capacità specifica riferita al materiale catodico

di 600 mAhg -1 , da cui deriva una densità d’energia di 1.100 Wh/kg[15].

Questo tipo di tecnologia è ancora lontana da un’applicazione pratica

Fig. 5 - A) Immagine SEM, rappresentazione schematica, ed analisi EDX (in verde

è evidenziato lo zolfo) del nanocomposito zolfo carbone; B) e C) prestazioni

elettrochimiche in cella a litio del nanocomposito zolfo carbone [14]. Immagini

ottenute con licenza Elsevier n. 2984330036119 dal riferimento [14]

Fig. 6 - A) Schema di funzionamento della cella litio-ione: nanocomposito

Sn-C/elettrolita polimerico gel/composito Li 2 S-C; B) profili di potenziale

della cella Sn-C/elettrolita polimerico gel/ Li 2 S-C [15]. Immagini ottenute

con licenza Wiley n. 2984701446971 dal riferimento [15]

ma la ricerca in questo campo procede velocemente, facendo prevedere

la possibile applicazione di questo sistema in un prossimo futuro. Un

secondo tipo di accumulatori ad elevata densità d’energia sono quelli

che sfruttano la reazione di formazione del perossido e dell’ossido di litio:

a) 2Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2

b) 2Li + + 1/2O 2 + 2e - → Li 2 O

Uno schema di questo tipo di accumulatori è riportato in Fig. 7 [16].

Questo tipo di accumulatori presenta una tensione di 3 V ed una possibile

densità d’energia pratica di 1.700 Wh/kg, valore paragonabile ai

combustibili fossili [17]. Tali caratteristiche hanno posto in primo piano

questo tipo di sistema, che ancora richiede un notevole sviluppo per

poter essere applicabile. Le prospettive di sviluppo di questo sistema

non prevedono un possibile uso in dispositivi pratici nell’immediato futuro.

I sistemi litio aria, o più correttamente litio ossigeno, aprono infatti

questioni completamente nuove rispetti ai sistemi litio-ione. La tecnologia

litio-ione convenzionale prevede che l’accumulatore sia assemblato

ed utilizzato in atmosfera inerte, tipicamente argon, in modo da eliminare

gli effetti deleteri dell’ossigeno. La presenza dell’ossigeno nel sistema

pone quindi una serie di problemi nuovi in particolare legati all’instabilità

Nov./Dic. ‘12 133

GEI ERA 2012


134

CHIMICA &

GEI ERA 2012

Fig. 7 - Rappresentazione schematica di un

accumulatore litio aria [16]. Immagine ottenuta con

licenza Wiley n. 2984781121971 dal riferimento [16]

Fig. 8 - Meccanismo proposto per la riduzione

dell’ossigeno nei sistemi litio aria [18]. Immagine

ottenuta con licenza Wiley n. 2984721154568 dal

riferimento [18]

cella litio aria che utilizza un elettrolita a base di tetraetilenglicole dimetiletere [20-21]. Lo

sviluppo di questo sistema è comunque ancora lontano da un’applicazione pratica,

comunque le prospettive di sviluppo sono estremamente promettenti. La necessità di

sistemi d’accumulo sicuri e con elevata densità d’energia è sempre più impellente, lo sviluppo

dei sistemi litio-ione può essere una risposta a questo bisogno.

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[9] E. Markevich et al., Electrochemistry Communications, 2006,

8, 1331.

Nov./Dic. ‘12

degli elettroliti in condizioni ossidanti, e alla presenza della specie O 2 - fortemente basica che si

forma come intermedio di reazione, come proposto dal meccanismo di reazione in Fig. 8 [18]; questo

rende inutilizzabili gli elettroliti a base di carbonati convenzionalmente usati, per via della presenza

dell’idrogeno in alfa al carbonile con proprietà acide [19].

Lo sviluppo di nuovi elettroliti che siano stabili in queste condizioni è quindi necessario per una

possibile applicazione del sistema. Inoltre, il sistema soffre di un’elevata sovratensione della reazione

catodica, questo rende necessario lo sviluppo di catalizzatori che ne migliorino la cinetica ma

che allo stesso tempo non provochino reazioni di decomposizione dell’elettrolita [16]. La possibilità

di un utilizzo pratico del sistema è inoltre subordinata allo sviluppo di membrane che permettano

il passaggio dell’ossigeno al lato catodico ma che blocchino il passaggio dell’acqua e dell’anidride

carbonica, deleteri al sistema.

Infine, il sistema prevede l’utilizzo del

litio come materiale anodico, con i

problemi di sicurezza già descritti che

questo comporta. L’impiego di elettroliti

con legame etereo, quindi più stabili

in presenza di specie basiche, permette

di ottenere ottime prestazioni

come dimostrato nella più recente letteratura;

in particolare in Fig. 9 vengono

mostrati i profili di potenziale di una

Fig. 9 - Profili di potenziale dell’accumulatore litio aria che

utilizza l’elettrolita a base di tetraetilenglicole dimetiletere [21].

Immagine ottenuta dal riferimento [21] dietro permesso

dell’American Chemical Society, Copyright © 2012, American

Chemical Society

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[21] H.-G. Jung, et al., Nano Lett., 2012, 12, 4333.

ABSTRACT

Lithium-Ion Batteries, Key Elements for a Sustainable Energy Policy

The lithium ion batteries are an energy storage system with a high energy density. Initially key to developing portable electronics, are now of fundamental

importance in the more complex framework of sustainable energy. The use of lithium-ion systems, however, presents a number of problems to be solved.

This article describes how these systems work and the possible way to obtain storage devices with higher performance.


Digestori anaerobici per la produzione di biogas

BIOGAS: UN’OPPORTUNITÀ

PER LE SOFC

Lincremento


della domanda di energia legata soprattutto alla

crescente richiesta dei Paesi economicamente emergenti e la

necessità di soddisfare tale domanda in un’ottica di sviluppo

sostenibile, richiedono di supportare possibili strategie che

consentano un uso più razionale delle fonti primarie disponibili e di sviluppare

tecnologie e sistemi di conversione dell’energia ad alta efficienza

e basso impatto ambientale. La comunità scientifica internazionale,

infatti, è sostanzialmente d’accordo con L’EEA (European Environmental

Agency) nel ritenere che la produzione dell’energia (principalmente

ottenuta dall’utilizzo di combustibili fossili) rappresenta l’80%

delle emissioni totali di gas serra e che quindi i cambiamenti climatici

globali registrati negli ultimi decenni siano legati anche all’aumento

della concentrazione di questi gas in atmosfera. È evidente, dunque,

la necessità di sviluppare un insieme di misure, volte ad un incremento

dell’efficienza sia nella produzione che nell’uso dell’energia, ad un

incremento dell’uso di fonti rinnovabili e ad un impiego sostenibile delle

fonti fossili, capaci di assicurare consistenti riduzioni nella produzione

di gas serra.

Negli ultimi anni, gli interventi in materia di politica energetica e

ambientale della Comunità Europea (CE) sono stati finalizzati all’aumento

dell’integrazione delle risorse rinnovabili con il preesistente

sistema energetico europeo [1-3]. In particolare, alcuni strumenti legislativi,

hanno trasformato il biogas in uno tra i più diffusi combustibili

rinnovabili prodotto da biomasse di diversa provenienza settoriale

(zootecnico, agro-industriale, rifiuti organici).

Antonio Vita, Massimiliano Lo Faro, Massimo Laganà,

Maurizio Minutoli, Lidia Pino, Antonino Salvatore Aricò

CNR - Istituto di Tecnologie Avanzate

per l’Energia “Nicola Giordano”

Messina

antonio.vita@itae.cnr.it

Il biogas è uno tra i più diffusi combustibili rinnovabili. Attualmente è utilizzato per la produzione di energia elettrica e calore con sistemi

tradizionali; un utilizzo alternativo e più sostenibile è possibile tramite l’impiego di celle a combustibile ad ossido solido (SOFC).

In Italia la normativa sugli incentivi all’autoproduzione di energia elettrica

da fonti rinnovabili (certificati verdi) ha suscitato un rinnovato interesse

verso gli impianti di biogas. Attualmente, da un recente censimento

effettuato dal CRPA (Centro Ricerche Produzioni Animali), gli

impianti di biogas in Italia sono 672 di cui 76 in costruzione, le categorie

di impianti sono di diverso tipo e trattano varie tipologie di substrati:

effluenti zootecnici, scarti organici, colture energetiche (273),

fanghi di depurazione civile (121), FORSU-Frazione Organica del Rifiuto

Solido Urbano (14), reflui agro-industriali (32), biogas da discariche

RU (232) [4]. La composizione del biogas dipende dal substrato di

provenienza ma fondamentalmente è costituito da 50-75% (CH 4 ), 25-

45% (CO 2 ), 2-7% (H 2 O) a 20-40 °C, circa 2% (N 2 ), meno dell’1% (H 2

e H 2 S) e tracce di O 2 , NH 3 , alogenuri e silossani [5-7].

Le modalità di utilizzo del biogas dipendono dalla tipologia dei processi

di purificazione scelti per eliminare totalmente o parzialmente le

impurezze. Se non viene fatta alcuna purificazione il biogas appena

prodotto può essere utilizzato per la produzione di calore usando caldaie

presenti nel sito di produzione; se il processo di purificazione è di

intensità media l’uso può essere finalizzato alla cogenerazione di energia

elettrica e calore in motori a combustione interna o in turbine a gas;

se invece le impurezze vengono completamente eliminate, il metano

puro potrebbe essere utilizzato come combustibile per veicoli a gas,

per la produzione di sostanze chimiche o semplicemente potrebbe

essere immesso nella rete di gas e quindi mescolato con il gas naturale

di origine fossile.

Nov./Dic. ‘12 135

GEI ERA 2012


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CHIMICA &

GEI ERA 2012

In Fig. 1 viene riportato un esempio di ciclo e

utilizzo del biogas. Una delle problematiche

legate alle risorse di biogas è la loro natura

locale. Per esempio, residui municipali o di

fattorie di media grandezza si traducono in

piccole produzioni di potenza che vanno da 5

a 100 kWe. Questo significa che specialmente

per le sorgenti più piccole, l’uso di motori

a combustione interna o di microturbine

comporta una bassa efficienza elettrica (18-

25%) ed elevati livelli di rumore e manutenzione

[8-10]. Un altro aspetto da considerare è

l’impatto ambientale legato al trattamento del

biogas in motori tradizionali, infatti, la quantità

di gas dannosi per l’ambiente (VOCs, NOx,

CO, SOx ) rimane elevata.

Negli ultimi anni un’attenzione particolare è

stata focalizzata sull’uso dei combustibili

derivati dalle biomasse in celle a combustibile

in combinazione con processi di pre-reforming

[11-14] (Fig. 2). L’uso delle celle a combustibile

in questo settore per applicazioni

Fig. 1 - Ciclo e utilizzo del biogas

stazionarie sembra essere veramente promettente

per l’elevata efficienza dei sistemi installati, la drastica riduzione

delle emissioni inquinanti, l’assenza di parti in movimento e

quindi un basso livello di rumore e per la modularità che permette di

installare sistemi di differente potenza senza significative variazioni di

efficienza, consentendo di soddisfare quella parte del mercato che

richiede installazioni che vanno da 5 kW a 100 kW di potenza per le

quali le turbine mostrano una bassa efficienza e i motori a combustione

interna sia una bassa efficienza che un elevato inquinamento chimico

e acustico.<