Tutto su come estrarre e produrre l’Idrogeno

L’idrogeno potrebbe essere l’elemento più abbondante sulla terra, ma raramente può essere trovato nella sua forma pura. In pratica, questo fatto significa che per produrre idrogeno, deve essere estratto dal suo composto.

Naturalmente, questo processo di estrazione richiede energia, ma l’idrogeno può essere prodotto o estratto utilizzando praticamente qualsiasi fonte primaria di energia, sia essa fossile o rinnovabile. Tipicamente, l’idrogeno può essere prodotto utilizzando diverse risorse tra cui combustibili fossili, come gas naturale e carbone, biomasse, colture non alimentari, energia nucleare e fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica, solare, geotermica e idroelettrica per scindere l’acqua.

Questa diversità di potenziali fonti di approvvigionamento è il motivo più importante per cui l’idrogeno è un vettore energetico così promettente. Sebbene la maggior parte della produzione mondiale di idrogeno oggi sia prodotta attraverso un processo più intensivo di CO2 chiamato Steam Methane Reforming (SMR), l’idrogeno può anche essere prodotto attraverso un processo che fa uso di elettricità rinnovabile, portando alla produzione di “verde” o CO2 idrogeno neutro.

Gli attuali (nuovi metodi vengono ricercati ogni giorno) percorsi di produzione più importanti sono i seguenti:

Elettrolisi ed elettrolisi ad alta temperatura

Metodo: elettrolisi

In breve: processo in cui l’acqua (H2O) viene suddivisa in gas idrogeno (H2) e ossigeno (O2) con input di energia e calore in caso di elettrolisi ad alta temperatura.

In pratica: una corrente elettrica divide l’acqua nelle sue parti costituenti. Se viene utilizzata energia rinnovabile, il gas ha un’impronta di carbonio zero ed è noto come idrogeno verde.

SMR Steam methane reforming

Metodo: riforma – in particolare riforma del gas naturale ma anche del biogas

In breve: i modi principali in cui il gas naturale, principalmente metano, viene convertito in idrogeno implicano la reazione con il vapore (steam reforming o steam methane reforming SMR quando viene utilizzato metano), ossigeno (ossidazione parziale) o entrambi in sequenza (reforming autotermico )

In pratica: Steam reforming: il vapore acqueo puro viene utilizzato come ossidante. La reazione richiede l’introduzione di calore (“endotermico”).

  • Ossidazione parziale: in questo metodo si utilizza ossigeno o aria. Il processo rilascia calore (“esotermico”).
  • Reforming autotermico: questo processo è una combinazione di steam reforming e ossidazione parziale e funziona con una miscela di aria e vapore acqueo. Il rapporto tra i due ossidanti è regolato in modo che non sia necessario introdurre o scaricare calore (“isotermico”).

Idrogeno come sottoprodotto o idrogeno residuo industriale

Metodo: idrogeno da altri processi industriali che creano idrogeno come sottoprodotto

In breve: i processi elettrochimici, come la produzione industriale di soda caustica e cloro, producono idrogeno come prodotto di scarto.

In pratica: la produzione di cloro e soda caustica si riduce al passaggio di una corrente elettrica attraverso la salamoia (una soluzione di sale – cloruro di sodio – in acqua). La salamoia si dissocia e si ricombina attraverso lo scambio di elettroni (erogati dalla corrente) in cloro gassoso, soda caustica disciolta1 e idrogeno. Per la natura della reazione chimica, il cloro, la soda caustica e l’idrogeno sono sempre prodotti in un rapporto fisso: 1,1 tonnellate di caustica e 0,03 tonnellate di idrogeno per tonnellata di cloro.

Riforma

Steam methane reforming (SMR):

Come già descritto sopra, attualmente, la maggior parte dell’idrogeno prodotto oggi, viene prodotto attraverso il processo ad alta intensità di CO2 chiamato Steam Methane Reforming.

Il vapore ad alta temperatura (700 ° C – 1.000 ° C) viene utilizzato per produrre idrogeno da una fonte di metano, come il gas naturale. Nel reforming vapore-metano, il metano reagisce con il vapore a una pressione di 3–25 bar (1 bar = 14,5 psi) in presenza di un catalizzatore per produrre idrogeno, monossido di carbonio e una quantità relativamente piccola di anidride carbonica.

Il reforming a vapore è endotermico, ovvero il calore deve essere fornito al processo affinché la reazione proceda. Successivamente, in quella che viene chiamata “reazione di spostamento acqua-gas”, il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire utilizzando un catalizzatore per produrre anidride carbonica e altro idrogeno.

In una fase finale del processo chiamata “adsorbimento a oscillazione di pressione”, l’anidride carbonica e altre impurità vengono rimosse dal flusso di gas, lasciando idrogeno essenzialmente puro. Il reforming a vapore può anche essere utilizzato per produrre idrogeno da altri combustibili, come etanolo, propano o persino benzina.

Per i chimici:

Reazione di reforming vapore-metano CH4 + H2O (+ calore) → CO + 3H2

Reazione di spostamento acqua-gas CO + H2O → CO2 + H2 (+ piccola quantità di calore)

Ossidazione parziale

Nell’ossidazione parziale, il metano e altri idrocarburi nel gas naturale reagiscono con una quantità limitata di ossigeno (tipicamente dall’aria) che non è sufficiente per ossidare completamente gli idrocarburi in anidride carbonica e acqua. Con una quantità di ossigeno disponibile inferiore a quella stechiometrica, i prodotti di reazione contengono principalmente idrogeno e monossido di carbonio (e azoto, se la reazione viene eseguita con aria anziché ossigeno puro) e una quantità relativamente piccola di anidride carbonica e altri composti. Successivamente, in una reazione di spostamento acqua-gas, il monossido di carbonio reagisce con l’acqua per formare anidride carbonica e altro idrogeno.

L’ossidazione parziale è un processo esotermico: emette calore. Il processo è, in genere, molto più veloce del reforming a vapore e richiede un reattore più piccolo. Come si può vedere nelle reazioni chimiche di ossidazione parziale, questo processo produce inizialmente meno idrogeno per unità del carburante in ingresso di quanto si ottiene mediante steam reforming dello stesso carburante.

Per i chimici:

Ossidazione parziale della reazione del metano CH4 + ½O2 → CO + 2H2 (+ calore)

Reazione di spostamento acqua-gas CO + H2O → CO2 + H2 (+ piccola quantità di calore)

Steam methane reforming (SMR) per biogas

Il processo di SMR può essere utilizzato anche per la produzione di idrogeno da biogas.

Elettrolisi

Nonostante il fatto che l’idrogeno possa essere prodotto in molti modi, la parte più interessante ma anche promettente è la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi dell’acqua.

In questo processo, l’elettrolisi scompone l’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l’elettricità. Se l’elettricità utilizzata proviene da fonti di energia rinnovabile come l’eolico o il solare e l’idrogeno prodotto viene utilizzato in una cella a combustibile, l’intero processo energetico non creerebbe emissioni nette. In questo caso, parleremmo di “idrogeno verde”.

L’elettrolizzatore è costituito da una sorgente CC e due elettrodi rivestiti di metallo nobile, separati da un elettrolita. L’elettrolita o il conduttore ionico può essere un liquido, ad esempio una soluzione conduttiva di potassa caustica (idrossido di potassio, KOH) per l’elettrolisi alcalina. In un elettrolizzatore alcalino il catodo (polo negativo) perde elettroni nella soluzione acquosa.

L’acqua viene dissociata, portando alla formazione di idrogeno (H2) e ioni idrossido (OH – I portatori di carica si muovono nell’elettrolita verso l’anodo. All’anodo (polo positivo) gli elettroni vengono assorbiti dagli anioni OH negativi. Gli anioni OH vengono ossidati per formare acqua e ossigeno. L’ossigeno sale all’anodo. Una membrana impedisce la miscelazione dei gas prodotti H2 e O2 ma consente il passaggio degli ioni OH -. Gli elettrolizzatori sono costituiti da singole celle e unità di sistema centrale (bilanciamento dell’impianto). Combinando celle elettrolitiche e stack, la produzione di idrogeno può essere adattata alle esigenze individuali.

Gli elettrolizzatori sono differenziati dai materiali elettrolitici e dalla temperatura alla quale vengono azionati: elettrolisi a bassa temperatura (LTE), inclusa l’elettrolisi alcalina (AE), l’elettrolisi della membrana a scambio protonico (PEM) e l’elettrolisi della membrana a scambio anionico (AEM) (nota anche come PEM alcalino) ed elettrolisi ad alta temperatura (HTE). Quest’ultimo gruppo include in particolare l’elettrolisi degli ossidi solidi (SOE), ma questa è ancora in una fase avanzata di ricerca e sviluppo ei prodotti non sono ancora disponibili in commercio. Una volta raggiunta la maturità di mercato, i suoi vantaggi dovrebbero includere una maggiore efficienza di conversione e la possibilità di produrre un gas di sintesi direttamente dal vapore e dalla CO 2, per l’uso in varie applicazioni come i combustibili liquidi sintetici (E4tech 2014, IEA 2015b).

L’elettrolisi ad alta temperatura è particolarmente interessante quando c’è una fonte di calore vicino all’elettrolizzatore (come spesso accade negli impianti industriali o) è economicamente più efficiente della tradizionale elettrolisi a temperatura ambiente. In effetti una parte dell’energia viene fornita sotto forma di calore, che è gratuito o meno costoso dell’elettricità, e anche perché la reazione di elettrolisi è più efficiente a temperature più elevate. La scelta di una data tecnologia di elettrolisi dipende dalle esigenze di utilizzo e dal contesto locale.

L’idrogeno è come l’elettricità nel senso che il suo utilizzo non genera alcuna emissione. La sua impronta di carbonio è correlata alla sua modalità di produzione. Nel caso dell’idrogeno prodotto dall’elettrolisi, la sua impronta di carbonio dell’idrogeno è direttamente correlata alla fonte di elettricità. L’idrogeno prodotto da elettricità rinnovabile o nucleare senza carbonio è quindi privo di carbonio. L’idrogeno prodotto con la miscela di rete ha la stessa intensità di carbonio della miscela di rete.

Idrogeno come sottoprodotto

Come spiegato sopra, l’idrogeno viene prodotto separandolo dal suo composto. Se la produzione di idrogeno può essere il primo obiettivo del processo di separazione, può anche essere che il processo di separazione miri prima a produrre un’altra molecola e produca idrogeno come sottoprodotto.

La produzione di cloro e soda caustica si riduce al passaggio di una corrente elettrica attraverso la salamoia (una soluzione di sale – cloruro di sodio – in acqua). La salamoia si dissocia e si ricombina attraverso lo scambio di elettroni (forniti dalla corrente) in cloro gassoso, soda caustica disciolta e idrogeno. Per la natura della reazione chimica, il cloro, la soda caustica e l’idrogeno sono sempre prodotti in un rapporto fisso: 1,1 tonnellate di caustica e 0,03 tonnellate di idrogeno per tonnellata di cloro.

Numerosi studi hanno cercato di quantificare la quantità di idrogeno residuo industriale disponibile. Il progetto UE “Roads 2 HyCom” (Maisonnier et al. 2007) ha prodotto, tra gli altri risultati, una mappa che mostra i siti di produzione di idrogeno in Europa. In questa mappa le fonti di idrogeno sono state suddivise in tre categorie: la categoria “merchant” fornisce idrogeno ad altri clienti industriali, mentre la categoria “captive” trattiene l’idrogeno in loco per il proprio uso. Solo l’idrogeno “sottoprodotto” non può più essere utilizzato all’interno del processo o sul sito; solo questa categoria può essere resa disponibile per altre applicazioni, come i veicoli elettrici a celle a combustibile.

L’idrogeno come sottoprodotto è una fonte di idrogeno interessante ed economica per avviare la distribuzione di applicazioni di idrogeno nell’area in cui viene prodotto. Non sorprende che le regioni con elevate quantità di idrogeno come sottoprodotto siano tra le più avanzate nella loro strategia di distribuzione dell’idrogeno.

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