Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

Nel cuore dell'industria dell'olio di palma in Ghana, una quantità enorme di rifiuti viene generata ogni giorno. Per ogni tonnellata di frutto raccolto, il processo lascia dietro di sé due tipi distinti di residui: frammenti duri, simili a gusci, derivanti dal nocciolo e grandi fasci fibrosi che un tempo contenevano il frutto. Attualmente, la maggior parte di questo materiale viene lasciata a marcire all'aperto o bruciata, una pratica che rilascia fumo e gas serra nell'atmosfera, sprecando al contempo una risorsa preziosa. Gli scienziati sanno da tempo che questi avanzi potrebbero essere trasformati in qualcosa di utile attraverso un processo chiamato pirolisi. Questo è un metodo in cui la biomassa viene riscaldata in assenza di ossigeno, scomponendola in un materiale solido, ricco di carbonio, noto come biochar, insieme a gas e oli. Il biochar è una sostenza versatile: può migliorare la salute del suolo, filtrare l'acqua e bloccare il carbonio che altrimenti riscalderebbe il pianeta. Tuttavia, trasformare questo potenziale in una realtà affidabile richiede la conoscenza esatta di come gestire il processo. La temperatura e la durata del riscaldamento del materiale sono critiche, ma trovare l'equilibrio perfetto per questi specifici residui ghanesi è stato difficile senza costosi e lenti esperimenti di tentativi ed errori in laboratorio.

Un team di ricercatori di università ghanesi ha adottato un approccio diverso, utilizzando il potere della modellazione informatica per risolvere questo enigma. Inve di bruciare migliaia di tonnellate di gusci e fasci in un laboratorio fisico, hanno costruito una simulazione digitale dettagliata utilizzando Python, un popolare linguaggio di programmazione per il lavoro scientifico. Hanno creato un modello virtuale che imita il modo in cui le diverse parti dello scarto di palma — cellulosa, emicellulosa e lignina — reagiscono quando riscaldate. Alimentando questo modello con dati provenienti dalla letteratura scientifica esistente, sono stati in grado di prevedere quanto biochar verrebbe prodotto in varie condizioni. Per garantire che le loro previsioni fossero robuste, hanno eseguito migliaia di scenari simulati, introducendo piccole variazioni casuali nella composizione dei rifiuti e nelle condizioni operative. Ciò ha permesso loro di vedere non solo un singolo esito, ma un intervallo di risultati probabili, tenendo conto delle naturali incongruenze presenti nell'agricoltura reale. Hanno poi utilizzato tecniche matematiche avanzate per cercare il singolo miglior set di condizioni che massimizzasse la produzione di biochar garantendo al contempo che soddisfacesse rigorosi standard di qualità per il contenuto di carbonio.

Le simulazioni hanno rivelato una via chiara e coerente da seguire. I ricercatori hanno scoperto che la qualità del prodotto finale è il fattore più importante che limita il processo. Per produrre biochar di qualità premium, adatto ai mercati ad alto valore e ai programmi di crediti di carbonio, il materiale deve contenere almeno il 60 percento di carbonio fisso. Questo requisito impone al processo di operare a una temperatura specifica, intorno ai 393 gradi Celsius. Se la temperatura è troppo bassa, il biochar è troppo impuro; se è troppo alta, il materiale solido si decompone in gas, riducendo la quantità totale di prodotto. Il modello ha determinato che, a questa temperatura ottimale, i gusci del nocciolo di palma devono essere riscaldati per circa 50 minuti, mentre i fasci di frutti vuoti richiedono un tempo leggermente superiore, ovvero 57 minuti. Sotto queste precise condizioni, il processo produce una resa di biochar del 42,2 percento per i gusci e del 38,5 percento per i fasci. L'analisi ha inoltre evidenziato che la quantità di lignina nei rifiuti è la principale fonte di incertezza; poiché la lignina è la parte più resistente al calore della pianta, le variazioni nel suo contenuto hanno l'effetto maggiore sulla quantità di prodotto finale ottenuta.

Quando i ricercatori hanno applicato questi risultati a un tipico impianto di estrazione dell'olio di palma in Ghana, il quadro economico e ambientale è diventato sorprendentemente chiaro. Un impianto standard che lavora dieci tonnellate di fasci di frutti all'ora genera scarti sufficienti per produrre oltre 5.500 tonnellate di biochar all'anno. Questa non è solo una cifra teorica; rappresenta un passaggio tangibile dalla gestione dei rifiuti alla creazione di risorse. Lo studio ha calcolato che, passando dalla combustione all'aperto a questo metodo di pirolisi, un singolo impianto potrebbe prevenire il rilascio di circa 31.854 tonnellate di equivalente di anidride carbonica ogni anno. Questo beneficio deriva da due fonti: il carbonio che viene permanentemente intrappolato nel biochar e le emissioni che vengono evitate non bruciando i rifiuti all'aperto. Finanziariamente, l'aspetto è altrettanto promettente. Anche in scenari di mercato conservativi, dove il biochar viene venduto a un prezzo modesto e i crediti di carbonio sono bassi, l'operazione genera un profitto netto. In scenari di mercato più favorevoli, le entrate annuali potrebbero raggiungere oltre tre milioni di dollari statunitensi. I fasci di frutti vuoti, che sono più abbondanti dei gusci, guidano la maggior parte di questo valore economico, rendendoli il motore primario per un'economia circolare presso il sito dell'impianto.

Lo studio conclude che questo quadro computazionale offre una guida affidabile per la commercializzazione della produzione di biochar dai residui dell'olio di palma in Africa occidentale. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile identificare le esatte condizioni operative necessarie per un processo redditizio e ambientalmente vantaggioso senza dover condurre prima esaustivi esperimenti fisici. L'unico grande vincolo è la necessità di mantenere l'alta qualità del carbonio richiesta dagli standard internazionali, il che determina la temperatura e il tempo. Sebbene il modello informatico fornisca una base solida, gli autori osservano che il lavoro futuro dovrebbe includere test su scala pilota in Ghana per confermare questi risultati in condizioni operative locali e per analizzare l'intero ciclo di vita della tecnologia. Per ora, la simulazione dimostra che ciò che un tempo era considerato un rifiuto di disturbo può essere trasformato in una risorsa preziosa, convertendo un significativo onere ambientale in una fonte di energia pulita, miglioramento del suolo e crescita economica.