Esistono diversi modi per estrarre l'idrogeno.
Osserviamoli e confrontiamoli.
La trasformazione degli idrocarburi:
Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato
ed altamente commercializzato e attraverso il quale si produce circa il 48%
dell'idrogeno mondiale. Tale metodo può essere applicato anche ad altri
idrocarburi come l'etano e la nafta. Non possono essere utilizzati idrocarburi
più pesanti perché essi potrebbero contenere impurità. Altri processi, invece,
come l'ossidazione parziale, sono più efficienti con idrocarburi più pesanti.
Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori.
Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di
circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella
decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda
fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua
si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno. Il rendimento del processo
si aggira sul 50%-70%. Nello steam reforming tradizionale, gli idrocarburi sono
la fonte sia dell’energia chimica, sia dell’energia termica:
circa il 45% del consumo degli idrocarburi è destinato
alla produzione di calore. Poiché l’idrogeno in tal modo prodotto è più costoso
della sostanza di partenza, il metano, la sostituzione di questo con l’idrogeno
come combustibile non è conveniente. I costi dello SMR sono notevolmente
inferiori a quelli dell'elettrolisi e competitivi con quelli delle altre
tecnologie, esso comporta inoltre un ridottissimo impatto ambientale.
Alcuni autori, sostengono che la tecnologia SMR può essere
conveniente, se combinata con l'alimentazione di veicoli, per l'applicazione su
celle a combustibile prodotte su scala ridotta. Altre innovazioni invece,
riguardano più in particolare lo SMR stesso. Uno degli obbiettivi della ricerca
è infatti, quello di migliorare il tradizionale processo SMR con il
perfezionamento di un nuovo processo denominato:
Sorbtion Enhanced Reforming (SER). Rispetto al
tradizionale SMR tale processo implica la produzione di idrogeno a temperatura
particolarmente bassa e l’abbinamento di
un processo di rimozione selettiva dell’anidride carbonica rilasciata durante la
fase di reforming. Il vantaggio principale del SER quindi, consiste
nell’ottenere direttamente dei flussi separati, estremamente puri, sia di
idrogeno che di CO2 senza ricorrere a costosi sistemi di
purificazione. Questo nuovo processo ha dunque la possibilità di prevalere
rispetto ai processi convenzionali, e di favorire l’introduzione a breve
termine dell’idrogeno, non solo per i ridotti costi operativi che esso comporta
ma anche per il contributo alla riduzione della concentrazione dei gas serra
nell’atmosfera.
Le attività di ricerca sono ovviamente volte
all’individuazione dei materiali più idonei all’assorbimento di CO2,
alla dimostrazione della validità tecnica dei sistemi sperimentali e
all’analisi dei relativi vantaggi economici.
Gassificazione del carbone e dei combustibili fossili:
Il processo di gassificazione consiste nella parziale
ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha
l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato principalmente
da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.
Tramite la gassificazione il carbone viene convertito,
parzialmente o completamente, in combustibili gassosi i quali, dopo essere
stati purificati vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per
processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti.
La produzione di idrogeno mediante gassificazione del
carbone è una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma è
competitiva con la tecnologia SMR solo dove il costo del gas naturale è molto
elevato (per esempio la Repubblica Popolare Cinese e il Sud Africa). La
gassificazione di combustibili fossili si presenta economicamente interessante
nelle regioni in cui il carbone abbonda ed è poco costoso.
Idrolisi dell’acqua.
Elettrolisi:
questo è sicuramente il processo più maturo per la
produzione industriale, e sono stati costruiti alcuni grandi impianti nelle
vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo.
E’ importante però ricordare che, seppur svantaggioso, dalla produzione di
idrogeno mediante il processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro, da
utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più comune per la produzione
di idrogeno anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di
idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di
energia elettrica.
Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di
idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo per soddisfare richieste
limitate di idrogeno estremamente puro. Per risolvere questo problema, si
prevede l’applicazione dell’elettrolisi con vapore ad alta temperatura
(900-1.000 °C).
L’alta temperatura del sistema accelera le reazioni,
riduce le perdite d’energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi ed
accresce l’efficienza complessiva del sistema. Questa tecnologia offre
l’opportunità di ridurre il consumo di elettricità al 35% di quella utilizzata
dagli attuali elettrolizzatori in commercio. Questa notevole riduzione dei
costi, e l’elevata efficienza di conversione stimata (circa il 90%),
consentirebbe all’elettrolisi di essere competitiva anche con lo steam
reforming, che richiede notevoli investimenti strutturali.
Termolisi:
la termolisi è la dissociazione delle molecole di acqua
tramite solo apporto di calore che richiede temperature molto elevate,
dell’ordine dei 3.000°C .
Con temperature così elevate, è complicato però separare
l’idrogeno dall’ossigeno dati i notevoli problemi che pone la resistenza dei
materiali.
Decomposizione
mediante cicli termochimici:
con temperature più basse, tecnologicamente compatibili
con i materiali conosciuti, è possibile ottenere la dissociazione dell’acqua
per mezzo di cicli chiusi di reazioni chimiche di tipo endotermico. Tali
tecnologie di produzione sono motivate dalla speranza di individuare un
processo che possa utilizzare direttamente una fonte di calore ad alta
temperatura, solare o nucleare (in particolare nei reattori HTGR,
caratterizzati da una alta temperatura di uscita dei vapori) con un rendimento
globale maggiore di quello ottenibile da un impianto di elettrolisi.
Fotolisi:
Essa si propone di ottenere la dissociazione della
molecola dell’acqua fornendo l’energia necessaria sotto forma di radiazioni
luminose solari.
Decomposizione mediante foto elettrolisi:
L’ultima
possibilità di produrre idrogeno impiega il biossido di titanio o rutilio –
TiO2 – come fotoelettrodo. Questo sistema, scoperto nel 1972, ha dato vita a
numerosi ed interessanti studi e ricerche.
Altri processi:
Oltre ai metodi analizzati nei precedenti paragrafi, la
ricerca è attiva in diversi settori riguardanti la produzione dell’idrogeno.
Essa si muove fondamentalmente
in due
direzioni: migliorare le tecnologie esistenti e sperimentare nuovi metodi.
L’obiettivo principale è quello di abbattere i costi delle tecnologie ormai in
uso riducendo la quantità dei materiali impiegati e aumentando quindi i
rendimenti di conversione degli impianti esistenti. In secondo luogo, si
cercano di perfezionare nuovi sistemi che consentano di risolvere la questione
dell’impatto ambientale delle tecnologie basate sull’impiego degli idrocarburi.
In particolare, si sta puntando molto su sistemi che consentano la produzione
di idrogeno tramite l’impiego diretto dell’energia solare, in sostituzione
dell’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi dell’acqua. Uno di questi,
la produzione dell'idrogeno per fotoconversione, associa un sistema di
assorbimento della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell'acqua.
Questo processo usa l'energia della luce senza passare attraverso la produzione
separata di elettricità richiesta dall'elettrolisi. Ci sono due classificazioni
principali di tali sistemi: fotobiologico e fotoelettrochimico. Si tratta,
tuttavia, prevalentemente di tecnologie in fase sperimentale, le cui attività
di laboratorio richiedono ancora notevoli perfezionamenti.
Tecnologie
foto elettrochimiche:
I sistemi
foto elettrochimici usano degli elettrodi semiconduttori in una cella foto
elettrochimica per convertire energia ottica in energia chimica. Esistono
essenzialmente due tipologie di tali sistemi: una utilizza semiconduttori,
l'altro metalli complessi dissolti.
Nel primo tipo, un
materiale semiconduttore è utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia
per agire da elettrodo per la scissione dell'acqua. Il secondo tipo di sistemi
foto elettrochimici usa materiali complessi dissolti come catalizzatori. Il
materiale complesso solubile assorbe energia e crea una separazione tramite
carica elettrica che conduce alla reazione di scissione dell'acqua. La ricerca
si sta occupando di individuare dei catalizzatori che possano dissociare più efficientemente l'acqua e produrre
idrogeno.
Tecnologie fotobiologiche:
I processi
di produzione fotobiologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi
biologici, che usano generalmente la luce solare. Alcune alghe e batteri sono
in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni pigmenti delle alghe
assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori
per scindere l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno. La ricerca sta
analizzando i meccanismi dettagliati di questi sistemi biologici. In ogni caso
si è ai primi stadi ed il livello di efficienza di conversione in energia
(rapporto tra l'ammontare di energia prodotta dall'idrogeno e l'entità della
luce solare impiegata) è basso, circa il 5%. Per la produzione di idrogeno su
larga scala, questi processi richiedono efficienza più elevata e riduzione dei
costi.
Esistono numerose attività di ricerca che hanno lo scopo
di adeguare i sistemi di produzione fotobiologica a tali difficoltà. A breve
termine si prevede l’identificazione di batteri e sviluppo di un sistema che
possa produrre idrogeno puro a temperatura e pressione ambiente, nell'oscurità.
Attualmente, sono state isolate circa 400 specie di questo
tipo di batteri, capaci di combinare, nell'oscurità, monossido di carbonio ed
acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno e biossido di
carbonio.
L'analisi dettagliata di venticinque specie, ha dimostrato
che esse sono in grado di produrre idrogeno da circa il 100% del monossido di
carbonio impiegato ma un solo tipo di sistema, basato sull'azione di alcune
specie di cianobatteri, ha dato risultati soddisfacenti
(www.energylab/pdf/hidrogen, 2004).
G.N.
