Produzione di idrogeno blu per soddisfare la domanda dell'industria

I cambiamenti climatici e gli obiettivi globali di riduzione delle emissioni di carbonio spingono a esplorare le possibilità dell’energia basata sull’idrogeno e sono molte le metodologie di produzione che stanno emergendo, ognuna con pro e contro. Se, da una parte, l'idrogeno verde - prodotto interamente da fonti rinnovabili - rappresenta l'ideale per un futuro sostenibile, i suoi attuali limiti economici, tecnologici e di scalabilità richiedono un significativo aumento del ruolo svolto da idrogeno di altri colori, grazie a cui sarà possibile continuare a studiare la fattibilità di questo combustibile.

grigio e quello blu costituiscono attualmente la maggior parte dell'idrogeno prodotto a livello globale e vengono entrambi ricavati con metodi facilmente accessibili di reforming del metano con vapore (SMR) o reforming autotermico (ATR) sfruttando, in genere, il gas naturale come materia prima. Sebbene entrambi i colori si basino sulle stesse metodologie di produzione, il processo dell'idrogeno blu si spinge oltre rispetto a quello grigio catturando e immagazzinando le emissioni di carbonio generate insieme all'idrogeno prodotto per impedirne il rilascio nell'atmosfera. È questo il motivo per cui è considerato idrogeno a basse emissioni di carbonio.

Il metodo SMR è un processo termochimico maturo, in cui una fonte di metano come, ad esempio, il gas naturale viene fatta reagire con vapore ad alta temperatura a 3-25 bar (43.5-363 psi), in presenza di un catalizzatore. Si tratta di un metodo che ha una lunga storia in settori come la raffinazione, la produzione di fertilizzanti e la produzione di metanolo.

Questa reazione produce gas di sintesi (syngas), una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Una successiva reazione WGS (Water-Gas Shift - spostamento del gas d'acqua) converte quindi il monossido di carbonio in altro idrogeno, generando anidride carbonica e una piccola quantità di monossido di carbonio come sottoprodotti.

Il metodo ATR è più recente e particolarmente adatto alla produzione di idrogeno su larga scala. Sebbene le apparecchiature per innescare le necessarie reazioni richiedano un maggiore investimento di capitale, questo metodo rende più efficiente la cattura del carbonio. Ciò grazie al dosaggio controllato dell'ossigeno gassoso nel reformer che, riducendo la quantità di monossido di carbonio, consente di produrre un flusso di anidride carbonica più puro rispetto al metodo SMR.

Inoltre, dato che ossida parzialmente il metano con l'ossigeno per produrre gas di sintesi, il metodo ATR non necessita di una fonte di calore esterna. Come nel metodo SMR, una reazione WGS massimizza la resa di idrogeno.

La scelta tra SMR e ATR per la produzione di idrogeno blu dipende dal risultato di una valutazione completa di diversi fattori, tra cui i seguenti:

• Scala di produzione desiderata
• Purezza richiesta dell'idrogeno
• Composizione del gas naturale disponibile come materia prima
• Accesso al capitale
• Costi operativi previsti
• Panorama economico globale o locale

Il reforming SMR dell'idrogeno blu richiede tre reazioni chiave e un quarto passaggio opzionale.

1. Reforming del metano
In questa reazione primaria, il metano (CH₄) - generalmente derivato dal gas naturale - viene fatto reagire con il vapore (H₂O) a elevati valori di temperatura (700-1,100 °C/1,300-2,000 °F) e pressione (3-25 bar/43.5-363 psi) e in presenza di un catalizzatore a base di nichel. Questa reazione produce gas di sintesi, una miscela di idrogeno (H₂) e monossido di carbonio (CO). Essendo endotermica, questa reazione non richiede apporto di calore.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Reazione WGS
Il gas di sintesi viene quindi sottoposto a una reazione WGS, in cui il monossido di carbonio reagisce ulteriormente con il vapore in presenza di un catalizzatore - di solito a base di ossido di ferro o di rame - per produrre altro idrogeno e altra anidride carbonica (CO₂). Questa reazione è esotermica ovvero rilascia calore.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Rimozione dell'anidride carbonica
La miscela di gas risultante in questa fase è composta principalmente da idrogeno, anidride carbonica e una piccola quantità di metano non reagito. L'anidride carbonica viene rimossa principalmente tramite trattamento del gas amminico che comporta la dissoluzione dell'anidride carbonica in soluzioni di ammine, lasciando dietro di sé un flusso di idrogeno purificato.

CO₂ + Soluzione di ammine ⇌ Complesso ammina-CO₂ (rappresentazione chimica semplificata)

4. Purificazione dell'idrogeno (opzionale)
A seconda del livello di purezza desiderato, si può procedere a ulteriori passaggi di purificazione. I due metodi più comuni sono l'adsorbimento a pressione modulata (PSA) - che utilizza materiali adsorbenti per catturare selettivamente l'anidride carbonica - e separazione a membrana che, attraverso membrane specifiche, consente solo il passaggio dell'idrogeno.

I catalizzatori sono essenziali per accelerare le reazioni del processo SMR ma si esauriscono nel tempo e devono essere rigenerati o sostituiti. Per un funzionamento efficiente, il processo di reforming endotermico del metano e la reazione esotermica WGS richiedono un'attenta gestione del calore.

La principale attrattiva del processo ATR rispetto al processo SMR risiede nelle ridotte emissioni di monossido di carbonio e, di conseguenza, nella maggiore efficienza di cattura dell’anidride carbonica - 95% anziché 60%. Il reforming ATR dell'idrogeno blu prevede i seguenti passaggi critici.

1. Preriscaldamento e miscelazione delle materie prime
Il gas naturale - principalmente metano - e il vapore vengono preriscaldati e, alla miscela, vengono aggiunte quantità controllate di ossigeno (O₂).

2. Combustione
Parte del metano reagisce con l'ossigeno aggiunto in una reazione di combustione altamente esotermica, generando calore per la successiva reazione di reforming.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reforming
Il calore generato durante la combustione innesca le reazioni di reforming endotermico.

Reforming con vapore: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Ossidazione parziale: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Reazione WGS
Come nel processo SMR, il monossido di carbonio prodotto nelle reazioni di reforming reagisce ulteriormente con il vapore in presenza di un catalizzatore, per produrre più idrogeno e anidride carbonica:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Rimozione dell'anidride carbonica
Come nel processo SMR, l'anidride carbonica viene rimossa dalla miscela di gas utilizzando soprattutto il trattamento del gas amminico, che lascia dietro di sé un flusso di idrogeno purificato.

6. Purificazione dell'idrogeno (opzionale)
Per ottenere, quando necessario, una maggiore purezza dell'idrogeno possono essere previste ulteriori fasi di purificazione come, ad esempio, la separazione tramite PSA o membrana.

Il processo SMR è più semplice e meno costoso da implementare rispetto all'ATR perché non richiede una fonte di ossigeno costante. Tuttavia, grazie alla reazione di combustione integrata, il processo ATR è autosufficiente in termini di calore e, una volta avviato, non richiede una fonte di calore esterna ed è quindi più efficiente dal punto di vista energetico.

Inoltre, il processo ATR produce generalmente più idrogeno - rispetto al monossido di carbonio - nel gas di sintesi e questo può risultare vantaggioso per una serie di applicazioni a valle. I sistemi ATR sono solitamente in grado di rispondere più rapidamente ai cambiamenti della domanda di produzione. Per queste e altre ragioni, i nuovi impianti per l’idrogeno blu utilizzano in genere l’ATR.

La discussione sull'idrogeno blu è incompleta senza parlare dei metodi di cattura, utilizzo e sequestro del carbonio (CCUS). Questi processi complessi iniziano con la separazione dell'anidride carbonica dagli altri gas presenti nel flusso di scarico, spesso tramite tecnologie di adsorbimento che utilizzano, ad esempio, ammine che catturano il carbonio selettivamente.

Una volta catturata, l'anidride carbonica viene sottoposta a compressione e liquefazione fino a raggiungere uno stato supercritico che ne consente il trasporto - generalmente in condotte - verso formazioni geologiche adatte per il sequestro a lungo termine. I possibili siti di stoccaggio includono giacimenti esauriti di petrolio e gas, falde acquifere saline profonde e cupole saline.

Anche se offrono un modo per gestire le emissioni, i siti di cattura e sequestro del carbonio (CCS) pongono alcuni interrogativi sulla loro sicurezza a lungo termine. Perdite anche piccole potrebbero incidere negativamente sugli ecosistemi e le falde acquifere circostanti.

Si discute molto sull’impatto ambientale dell’idrogeno blu rispetto all’idrogeno verde, prodotto utilizzando energia rinnovabile. Alcuni suggeriscono che concentrarsi sull’idrogeno blu potrebbe ritardare la transizione verso l’energia rinnovabile e l’idrogeno verde.

Dal punto di vista finanziario, i costi associati ai metodi CCS possono rendere lla tecnologia relativa all’idrogeno blu più costosa rispetto a quella associata all’idrogeno grigio. Tuttavia, questi costi sono destinati a diminuire gradualmente. Inoltre, fattori quali le tasse sul carbonio dell’idrogeno grigio, gli incentivi governativi per l’idrogeno blu e i sistemi cap-and-trade potrebbero rendere l’idrogeno blu - o persino quello verde - economicamente più sostenibile.

Oltre che dalle considerazioni ambientali ed economiche, il successo della produzione di idrogeno blu dipende da una rete sofisticata di strumenti e sistemi di controllo che lavorano in concerto per garantire affidabilità, efficienza e sicurezza del processo. I metodi SMR e ATR richiedono una vasta gamma di sensori per monitorare costantemente i parametri di processo e immettere dati in tempo reale in sofisticati sistemi di controllo per ottimizzare la produzione, minimizzare gli sprechi e mitigare i rischi.

I sensori di temperatura, fondamentali per mantenere condizioni di reazione ottimali e prevenire la degradazione del catalizzatore, lavorano insieme ai sensori di pressione che garantiscono condizioni di sicurezza all'interno dei reattori e delle condotte. I misuratori di portata documentano in modo affidabile il movimento di gas e liquidi durante tutto il processo, consentendo un controllo preciso dei rapporti dei reagenti e dei flussi di prodotto. I misuratori di portata sono indispensabili anche in tutti i punti di misura fiscale.

Nel contempo, gli analizzatori di gas - ad es. Raman e TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) - forniscono la composizione del flusso e altri dati di monitoraggio in vari punti, consentendo agli operatori di verificare l'efficienza del processo, rilevare in tempo reale gli eventuali problemi e garantire la purezza dell'idrogeno.

L’idrogeno blu ha un ruolo fondamentale da svolgere perché consente di approfondire la ricerca mentre l’infrastruttura dell’idrogeno si sviluppa, in attesa che l’idrogeno verde raggiunga i necessari livelli di efficienza. SMR e ATR sono generalmente considerati i metodi più validi per la produzione di idrogeno perché rappresentano un buon compromesso tra esigenze economiche e ambientali e sono tecnologicamente maturi. Sebbene i progressi nelle tecnologie CCUS stiano migliorando i tassi di cattura dell'anidride carbonica e la sicurezza del sequestro a lungo termine, c'è ancora molta strada da fare prima che la produzione di idrogeno blu possa realisticamente superare quella di idrogeno grigio.

Il mondo deve confrontarsi con le complessità di un quadro energetico in evoluzione e un approccio equilibrato che tenga conto delle molteplici varianti disponibili - soppesando i numerosi compromessi di ogni colore dell'idrogeno e dando priorità alla sostenibilità a lungo termine - è indispensabile per il progresso. Sarà necessario ricorrere a idrogeno di diversi colori, fonti di energia rinnovabili, una maggiore elettrificazione e persino a mezzi efficienti di utilizzo dei combustibili fossili, anche se con misure di mitigazione delle emissioni. Per uscire vittoriosi dalla rivoluzione energetica, dobbiamo sfruttare al meglio ogni freccia al nostro arco, applicando le soluzioni più adatte a ogni applicazione..