Produzione di idrogeno
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La produzione di idrogeno è comunemente attuata dagli idrocarburi e dai combustibili fossili attraverso un processo chimico. L'idrogeno può anche essere estratto dall'acqua attraverso produzione biologica nelle alghe bioreattori, o utilizzando l'elettricità (via elettrolisi) o calore (per termolisi); questi metodi sono meno efficienti per una produzione in grandi quantità rispetto al processo chimico derivante dagli idrocarburi. La scoperta e lo sviluppo di metodi meno costosi per la produzione su vasta scala di idrogeno accelererebbe lo sviluppo di un'economia a idrogeno.
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[modifica] Dagli idrocarburi
L'idrogeno può essere generato dal gas naturale con un'efficienza approssimativa dell'80%, o da altri idrocarburi con diversi gradi di efficienza. Il metodo di conversione degli idrocarburi rilascia gas serra nell'atmosfera. Dal momento che la produzione è concentrata in una funzione, è possibile separare i gas e disporre di essi in modo conveniente, per esempio iniettandoli in un bacino di petrolio o gas, nonostante questo non sia fatto attualmente nella maggior parte dei casi. Un progetto di iniezione di biossido di carbonio è stato avviato dalla compagnia Norvegese StatoilHydro nel Mare del Nord, al campo Sleipner.
[modifica] Steam reforming
La produzione su vasta scala dell'idrogeno avviene solitamente mediante lo steam reforming del gas naturale. Ad alte temperature (700–1100 °C), il vapore (H2O) reagisce con il metano (CH4) per produrre syngas.
Il calore richiesto per attivare la reazione è generalmente fornito bruciando parte del metano.
[modifica] Monossido di carbonio
Ulteriore idrogeno può essere recuperato dal monossido di carbonio (CO) attraverso la reazione allo stato vapore, che si ottiene a circa 130 °C:
- CO + H2O → CO2 + H2 + 40.4 kJ/mol
Essenzialmente, l'atomo di ossigeno (O) è strappato dall'acqua (vapore) per ossidare il carbonio (C), liberando l'idrogeno precedentemente legato a carbonio e ossigeno.
[modifica] Carbone
Il carbone può essere trasformato in syngas e metano, anche conosciuto come town gas, attraverso la gassificazione.
[modifica] Dall'acqua
[modifica] Produzione biologica
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Per approfondire, vedi la voce Produzione biologica di idrogeno. |
Il bioidrogeno può essere prodotto mediante alghe (bioreattori). Alla fine degli anni Novanta si scoprì che se le alghe venivano private dello zolfo esse cessavano di produrre ossigeno attraverso la normale fotosintesi per produrre idrogeno.
Sembra che questo metodo sia ora economicamente fattibile superando la barriera del 7-10% di efficienza energetica (la conversione della luce solare in idrogeno).
Il bioidrogeno può essere prodotto in bioreattori che utilizzano materia differente dalle alghe, soprattutto materiali di scarto. Il processo coinvolge batteri che si alimentano di idrocarburi e che producono idrogeno e CO2. Il CO2 può essere sequestrata con successo in vari modi, lasciando solamente l'idrogeno gassoso. Un prototipo di bioreattore per l'idrogeno che utilizza i rifiuti come substrato è operativo al Welch's grape juice factory nel North East, Pennsylvania.
[modifica] Elettrolisi
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Per approfondire, vedi la voce Elettrolisi dell'acqua. |
Sebbene sia più efficiente produrre idrogeno attraverso un percorso chimico diretto piuttosto che con l'elettrolisi, va fatto notare che la sorgente chimica produrrà sempre inquinamento o sottoprodotti tossici mentre l'idrogeno viene estratto. Con l'elettrolisi, quando la fonte di energia è meccanica (idrodinamica o turbine eoliche), o fotovoltaica dai raggi solari, l'idrogeno può venir prodotto per mezzo dell'elettrolisi dell'acqua. Solitamente, l'elettricità consumata ha più valore dell'idrogeno che viene prodotto di conseguenza questo metodo non è stato utilizzato molto in passato, ma con la produzione elettrolitica dell'idrogeno, virtualmente, non si crea inquinamento o sottoprodotti tossici, e le sorgenti sono completamente rinnovabili, così l'importanza dell'elettrolisi cresce in rapporto alla popolazione e alla crescita dell'inquinamento, in questo modo l'elettrolisi diventerà più competitiva economicamente rispetto alle risorse non-rinnovabili (composti basati sul carbonio) e il governo rimuoverà i sussidi sull'energia basata sul carbonio. Nonostante l'efficienza - ancora poco competitiva - la produzione di idrogeno via elettrolisi è un sistema pulito e rinnovabile di immagazzinare energia elettrica e meccanica.
[modifica] Elettrolisi ad alta temperatura
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Per approfondire, vedi la voce elettrolisi ad alta temperatura. |
Quando la fonte di energia è nella forma di calore (termico solare o nucleare), il processo per ottenere l'idrogeno si dice elettrolisi ad alta temperatura. Contrariamente all'elettrolisi a bassa temperatura, quest'ultima modalità converte una quantità maggiore dell'energia termica iniziale in energia chimica, raddoppiando potenzialmente l'efficienza a circa il 50%. Dal momento che parte dell'energia nell'elettrolisi ad alta temperatura viene fornita sotto forma di calore, una porzione minore di energia dev'essere convertita due volte (da calore in elettricità, e poi in energia chimica), e quindi meno energia viene dispersa. Questo metodo è stato applicato in laboratorio, ma non ancora su scala commerciale.
I processi di questo genere sono inoltre attualmente considerati solo in combinazione con una fonte di calore dal nucleare, dal momento che la forma non chimica di calore ad alta temperatura (concentrazione dei raggi solari) non è sufficientemente conveniente per abbattere i costi delle apparecchiature necessarie. La ricerca sull'elettrolisi ad alta temperatura e sui reattori nucleari ad alta temperatura potrebbe portare finalmente a forniture di idrogeno competitive economicamente con quelle prodotte per steam reforming del gas naturale.
Tra questi il governo USA finanzia lo studio per l'elettrolisi termochimica ad alta temperatura dell'acqua (H2O). Alcuni prototipi di reattori come il PBMR operano a temperature tra i 850 ed i 1000 gradi Celsius, molto più caldi degli impianti civili esistenti. L'elettrolisi dell'acqua a quelle temperature converte meglio il calore iniziale in energia chimica sotto forma d'idrogeno, potenzialmente raddoppiando l'efficienza, a circa il 50%. Il processo funziona in laboratorio, ma non è stato mai testato su scala commerciale.
I risparmi potenziali, basandosi soltanto per i processi industriali che impiegano idrogeno, sembrano sostanziali. L'impresa General Atomics prevede che l'idrogeno prodotto nei reattori HTGR possa costare circa 1,53 dollari/kg. Nel 2003, il reforming a vapore del gas naturale produceva idrogeno a $1,40/kg, anche se come ogni prodotto da combustibili fossili produceva anidride carbonica ed altri gas serra, vanificando il senso dell'impiego dell'idrogeno come combustibile. Ai prezzi del gas del 2005, l'idrogeno costava $2,70/kg, dunque si potrebbero risparmiare decine di miliardi di dollari/anno con la fornitura da energia nucleare. Molti di questi costi rimarrebbero all'interno degli USA, finanziando la ricerca scientifica nel campo energetico e migliorando la bilancia commerciale USA, per riduzione delle importazioni di petrolio che calmiererebbe i prezzi.
Un beneficio collaterale dei reattori nucleari che producono sia elettricità che idrogeno è che si può scegliere rapidamente di produrre una tra i due. Ad esempio l'impianto potrebbe produrre elettricità di giorno ed idrogeno di notte, compensando così la variazione della domanda. Se prodotto economicamente, questo schema competerebbe con i sistemi di stoccaggio energetico a griglia attuali. Esiste una domanda di idrogeno così alta negli Stati Uniti che tutta la generazione "di picco" potrebbe essere soddisfatta da tali impianti.[1]. Tuttavia i reattori nucleari di IV generazione non saranno disponibili fino al 2030 e non è certo che i reattori possano compete da allora per sicurezza e forniture con il concetto di generazione distribuita.
[modifica] Photoelectrochemical Water Splitting
L'uso di elettricità prodotta da impianti fotovoltaici offre il modo più pulito di produrre idrogeno. L'acqua è scissa in idrogeno e ossigeno per elettrolisi in un processo fotoelettrochimico. La ricerca mirata a sviluppare una tecnologia per celle multigiunzione di maggiore efficienza è portata avanti dall'industria fotovoltaica.
[modifica] Produzione termochimica
Alcuni processi termochimici possono produrre idrogeno e ossigeno dall'acqua e calore senza utilizzare elettricità. Dal momento che l'intera energia di attivazione per tali processi è data dal calore, possono essere più efficienti dell'elettrolisi ad alta temperatura. Questo perché l'efficienza della produzione elettrica è in se stessa fondamentalmente limitata. La produzione termochimica di idrogeno che utilizza energia chimica dal carbone o dal gas naturale non è generalmente considerata, poiché il processo chimico diretto è più efficiente.
Vi sono centinaia di processi termochimici adatti allo scopo di produrre idrogeno; i più promettenti tra questi sono:
- il ciclo zolfo-iodio (S-I)
- il ciclo rame-cloro (Cu-Cl)
- il ciclo cerio-cloro (Ce-Cl)
- il ciclo ferro-cloro (Fe-Cl)
- il ciclo magnesio-iodio (Mg-Cl)
- il ciclo vanadio-cloro (V-Cl)
- il ciclo rame-solfato (Cu-SO4)
Vi sono anche varianti ibride, che comprendono cicli termochimici con un passo elettrochimico.
Per tutti i processi termochimici, la reazione complessiva è quella di decomposizione dell'acqua:
Tutte le altre sostanze utilizzate vengono riciclate.
Nessuno dei processi termochimici di produzione di idrogeno è stato applicato a livello produttivo, nonostante molti siano stati dimostrati in laboratorio.
[modifica] Altri metodi
- La ricerca nanotecnologica sulla fotosintesi può portare a una maggiore efficienza nella produzione di idrogeno per via solare, per esempio per mezzo di celle fotoelettrochimiche.
- La Teoria della Terra a idruri suggerisce che grandi quantità di idrogeno sarebbero presenti nel mantello terrestre.
