Elettrolisi
Tra i vari metodi che consentono di ricavare idrogeno dall’acqua, l’elettrolisi è l’unico di rilevanza pratica, oggi e probabilmente anche nell'immediato futuro. L’elettrolisi, nella sua forma convenzionale, è usata da oltre 80 anni per produrre idrogeno per il mercato.
La produzione di idrogeno per elettrolisi richiede l’impiego di energia elettrica e l’energia necessaria per scomporre l’acqua nei suoi due elementi H e O, è essenzialmente quella “immagazzinata” nell’idrogeno stesso.
La produzione di grandi quantità è pertanto economica solo in quei paesi dove l’elettricità può essere generata a costi convenienti, per esempio in Egitto, Islanda e Norvegia, dove la maggior parte dell’energia elettrica viene generata in centrali idroelettriche.
In futuro, lo sviluppo di grandi quantità di energia elettrica da processi di fusione nucleare potrà costituire una sorgente conveniente per l'attività secondaria di scissione dell'acqua.
Quindi, per produrre idrogeno si deve investire energia elettrica. Per produrre energia utile da idrogeno, questo deve essere nuovamente legato ad un altro elemento, ed è questo che avviene in una cella a combustione.
Reforming a vapore
Il reforming a vapore consiste nella trasformazione catalitica endotermica di idrocarburi leggeri (metano, benzina, ecc.) con l’uso di vapore acqueo. Su scala industriale, questi processi avvengono normalmente a temperature di 850 °C e pressioni di circa 2,5 bar e gli impianti di reforming a vapore producono circa 100.000 metri cubi di idrogeno all’ora.
Dal processo di trasformazione risultano idrogeno e biossido di carbonio, nonché metano e monossido di carbonio. Con l’impiego di vapore acqueo, nella cosiddetta reazione “shift”, la maggior parte del monossido di carbonio viene trasformata in biossido di carbonio ed idrogeno. Il biossido di carbonio e altre sostanze indesiderate vengono successivamente rimosse dalla miscela di gas per assorbimento o con l’ausilio di membrane. Il gas residuo contiene materie combustibili (H2, CH4, CO) nella misura di circa il 60% e, insieme con una frazione del gas utile, viene usato per il riscaldamento del reformer.
Piccoli reformer
Per la produzione di idrogeno direttamente in combinazione con celle a combustibile sono allo studio piccoli reformer (reforming a vapore, ossidazione parziale). Questi sistemi sono destinati soprattutto ad applicazioni mobili in veicoli e in piccoli sistemi fissi. Con questo sistema si spera di poter sfruttare la maggiore densità energetica e il più semplice impiego dei convenzionali carburanti liquidi in celle a combustibili. Di particolare interesse sono il reforming e l’ossidazione parziale di metanolo e di benzina.
Ossidazione parziale
Ossidazione parziale è detta la trasformazione termica di idrocarburi pesanti (per esempio residui di oli pesanti dell’industria petrolchimica) con l’ausilio di ossigeno e, parzialmente, anche di vapore acqueo. Con idonee quantità di ossigeno e di vapore acqueo, la gassificazione può avvenire senza energia fornita dall’esterno.
Il metodo dell’ossidazione parziale funziona anche con il carbone. In questo caso, il carbone finemente triturato viene miscelato con acqua per ottenere una sospensione con un contenuto solido del 50-70%. Il metodo conviene economicamente però solo in paesi come Sudafrica e Cina, grandi produttori di carbone.
Se, a medio e a lungo termine, l’idrogeno dovesse acquisire notevole importanza nel settore energetico, la sua produzione tramite reforming convenzionale, o ossidazione parziale di gas naturale, petrolio o carbone, è poco consigliabile dal punto di vista ambientale, perché non riduce le emissioni complessive di CO2 nell'ambiente.
Metodi avanzati
Alcuni metodi moderni consentono la produzione di idrogeno anche senza emissioni di CO2, se l’energia elettrica necessaria viene prodotta da fonti rinnovabili. Fin dagli anni Ottanta, la KVAERNER ENGINEERING S.A. norvegese sta sviluppando il cosiddetto processo PLAM che, ad una temperatura di 1600 °C, consente la decomposizione di idrocarburi in carbonio puro e idrogeno. Il processo, che non causa gravi emissioni, richiede, oltre all’energia primaria (petrolio, gas naturale), solo energia elettrica e acqua per il raffreddamento.
Idrogeno da biomassa
Non esistono ancora metodi che consentono la produzione economica di idrogeno direttamente da biomassa. I vari metodi sui quali si concentra la ricerca si trovano in differenti stadi di sviluppo. Alcuni metodi prevedono l’uso di biomassa solida, per esempio sotto forma di pellets, mentre altri si basano sulla fermentazione di liquami e altre materie biologiche. I metodi più promettenti sono la gassificazione e la fermentazione di biomassa dai quali si ricava biogas.
|