Produzione idrogeno : Steam reforming del gas metano (SMR)
SPECIALE IDROGENO. L'uso dell'idrogeno come combustibile sostitutivo dell'elettricità, del riscaldamento e dei trasporti ha ricevuto una crescente attenzione, poiché contribuisce in modo determinante a un futuro a basse emissioni per molti paesi. Attualmente lo steam reforming è tra i processi più utilizzati per la produzione di idrogeno
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Introduzione
Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.
Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata.
E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile.
Il processo di riformazione del metano a vapore (SMR) è considerato un'opzione praticabile per soddisfare la crescente domanda di idrogeno, principalmente a causa della sua capacità di produzione di massa di idrogeno e della maturità della tecnologia.
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.
Steam reforming
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.
Lo steam methane reforming (SMR) è un processo in cui il metano del gas naturale viene riscaldato, con vapore, solitamente con un catalizzatore, per produrre una miscela di monossido di carbonio e idrogeno utilizzata nella sintesi organica e come combustibile. Nell'energia, l'SMR è il processo più utilizzato per la generazione di idrogeno
Schema della produzione industriale di idrogeno utilizzando il reforming del metano a vapore. (Credit: Lee at al.). Clicca sull’immagine per ingrandire
La prima fase, “reformer”, consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Questa fase del processo prevede la reazione del metano con il vapore acqueo a 750-800°C per produrre un gas di sintesi (syngas), ossia una miscela composta principalmente da idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO).
Nella seconda fase, chiamata "water shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno segue un processo di purificazione dell’idrogeno. Il monossido di carbonio prodotto nella prima reazione viene fatto reagire con vapore su un catalizzatore per formare idrogeno e anidride carbonica (CO2). Questo processo avviene in due fasi, costituite da uno spostamento ad alta temperatura (HTS) a 350ºC e uno spostamento a bassa temperatura (LTS) a 190-210ºC.
Tramite assorbimento o separazione con membrane, il biossido di carbonio è separato dalla miscela di gas, la quale viene ulteriormente purificata per rimuovere altri componenti. Il gas rimanente, formato per circa il 60% da parti combustibili, è utilizzato per alimentare il reformer.
I passaggi principali per la purificazione includono:
- Purificazione della materia prima: questo processo rimuove i veleni, tra cui zolfo (S) e cloruro (Cl), per aumentare la durata dello steam reforming a valle e di altri catalizzatori.
- Purificazione del prodotto – In un sistema di assorbimento di liquidi, la CO2 viene rimossa.
Gli impianti SMR sono in grado di produrre idrogeno puro al 99,99%. Per un funzionamento durevole delle celle a combustibile è necessario utilizzare idrogeno di purezza da elevata a ultraelevata. Le impurità possono causare, ad esempio, l’avvelenamento dei catalizzatori.
L'efficienza del processo di steam reforming è di circa il 65-75%ed è tra i più alti tra i metodi di produzione attualmente disponibili in commercio.
Il costo del gas naturale incide fortemente sul prezzo finale dell'idrogeno, secondo alcune analisi costituisce il 52%-68% del costo totale per impianti di grosse dimensioni, e circa del 40% per impianti di dimensioni minori .
Riferimenti
BP, Statistical Review of World Energy. (2021).
Andreas Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016
Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)
RMI, Energia pulita 101: Idrogeno
ENEA, I ‘colori’ dell’idrogeno nella transizione energetica
Hydrogen Europe, Hydrogen - a carbon-free energy carrier and commodity, novembre 2021
GlobalData, Hydrogen
Kompakt, Pyrolysis, ottobre 2022
Lee et al., Scenario-Based Techno-Economic Analysis of Steam Methane Reforming Process for Hydrogen Production, Appl. Sci. 2021, 11(13), 6021; https://doi.org/10.3390/app11136021
Energoclub, steam reforming
Idrogeno dalla pirolisi | La plasmalisi per produrre idrogeno |
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