Sistemi di produzione dell'idrogeno
L' idrogeno elettrolitico costa troppo ?

Spesso si sostiene che l'idrogeno elettrolitico ha costi troppo elevati rispetto ai prezzi di mercato degli altri combustibili-carburanti.

Un esempio per evidenziare come, volendo, si può avere idrogeno da elettrolisi a costi competitivi addirittura con il metano:

Con i gli elettrolizzatori in commercio si produce un Nm3 di idrogeno con meno di 4 kWh di energia elettrica, come descritto in seguito esistono quantità di energia elettrica in eccesso, principalmente dovuta ai diversi consumi nelle fasce orarie giornaliere e notturne, questa energia può essere recuperata ed essere pagata 0.03 Euro al kWh, gli utenti dovrebbero averne un beneficio in quanto è un introito che altrimenti le aziende produttrici di energia elettrica non avrebbero, mentre i costi comunque ci sono anche se l'energia è dissipata, in questo caso la spesa per l'energia elettrica per la produzione di un Nm3 di H e 0,5 Nm3 di O è di 0,12 €.

Il costo di ammortamento degli elettrolizzatori incide per non più di 0,025 € nella produzione di un Nm3 di idrogeno e mezzo Nm3 di ossigeno, (sulla base di una vita utile dell'elettrolizzatore di 10 anni, compresa la manutenzione)

L'idrogeno per elettrolisi si ottiene con acqua distillata, il cui costo ammonta a circa 0,03 Euro (0,84 litri per un Nm3 di idrogeno e mezzo Nm3 di ossigeno).

Il costo degli addetti alla produzione può incidere per circa 0.02 Euro/Nm3 qualora assista alla lavorazione di 500 litri d'acqua all'ora, una quantità modestissima.

Da quanto sopra si deduce che il costo di produzione di un Nm3 di idrogeno e mezzo Nm3 di ossigeno può essere inferiore a 0,2 Euro. Tale quantità di tali gas si acquista mediamente a 3,3 Euro ! 0,5 Nm3 di ossigeno purissimo ( che viene acquistato a circa 2,4 €/Nm3) ha un valore minimo di 0,16 Euro, per cui l'idrogeno rimanente sarebbe prodotto a 0,04 Euro al Nm3.

Il metano ha un valore all'estrazione-produzione non inferiore a 0,12 €/Nm3 pertanto, anche se servono 3 Nm3 di idrogeno per avere lo stesso PCI di 1 Nm3 di metano, con l'elettrolisi, in particolari condizioni, si può avere idrogeno ad un costo competitivo anche con il metano e sopratutto si possono recuperare enormi quantità di energia che, con l'attuale sistema energetico, viene dissipata:

Nella tavola qui sotto ( www.grtn.it ) è presa in esame l'immissione in rete di energia elettrica in un giorno.

Nella colonna "fluente", che dettaglia la produzione oraria di energia elettrica da centrali idroelettriche ad acqua fluente, si deduce che quel giorno c'è stata una mancata produzione di circa 11.310 MWh di energia elettrica




Note:

Durante il trasporto nella rete di trasmissione si ha una certa perdita di energia elettrica: più l’intensità di corrente è alta più si ha perdita di energia (effetto Joule), per ovviare a questo inconveniente si utilizzano le linee elettriche ad altissima tensione con le quali l'intensità di energia risulta ridotta, nonostante ciò si hanno comunque perdite nell'ordine del 7% circa dell'energia prodotta, un sistema che permetta di recuperare l'energia in eccesso rispetto a quella di intensità ottimale nella rete di trasmissione usufruirebbe di energia elettrica altrimenti dissipata, anche il recupero di un solo punto percentuale equivarrebbe a 3.000.000 di MWh !

Le centrali termoelettriche a vapore (carbone, olio ecc.) non si fermano mai, se non per manutenzione o incidenti. Entro certi limiti si può parzializzare il loro carico ma a scapito del rendimento, se fosse possibile utilizzare l'energia in eccesso si potrebbe evitare la parzializzazione dell'impianto a beneficio del rendimento e quindi del recupero energetico.

Le centrali a turbogas possono essere disattivate e riavviate quando si vuole ma anche in questo caso il rendimento dell'impianto non è ottimale, tra l'altro i gestori delle centrali hanno contratti fissi coi fornitori di combustibile e "devono" consumare non meno di un dato quantitativo di carburante, a prescindere se si riesce a vendere o meno l'energia prodotta.

Non sempre l'energia prodotta viene utilizzata, una quantità non dichiarata viene dissipata, utilizzando adeguate resistenze, per mancato fabbisogno, se viene immessa in rete si innalza l'intensità di corrente nelle linee di trasmissione e quindi l'energia elettrica in eccesso viene comunque dissipata.

Utilizzando l'ossigeno derivato dall'elettrolisi si può risparmiare anche l'energia necessaria alla produzione criogenica di tale gas

Nm3 = Normal metro cubo di qualsiasi gas a 0°C e a 1013 mbar di pressione



Attuali sistemi di produzione
La produzione mondiale annua di idrogeno è di 500 miliardi di Nm3 , equivalenti a 44 milioni di tonnellate, ottenuti per il 60% dal processo chimico di reforming degli idrocarburi leggeri ,principalmente il metano, per il 30% dal cracking di idrocarburi più pesanti (petrolio) e per il 7% dalla gassificazione del carbone. Solo il 3% dell'attuale produzione è ottenuta per elettrolisi.

L' idrogeno prodotto è impiegato per il 95% nell'industria chimica, che con esso produce ammoniaca, alcool metilico (metanolo) e prodotti petroliferi; il 5% è invece utilizzato dall'industria metallurgica per il trattamento dei metalli.

Steam reforming del metano (SMR)
Lo steam reforming (trasformazione con vapore) si effettua, partendo da gas metano o da frazioni leggere di petrolio, con vapore d'acqua in presenza di un catalizzatore (generalmente nichel) alla temperatura di 800 °C. Il gas risultante contiene anche monossido di carbonio che, reagendo con il vapore, si trasforma in biossido di carbonio (anidride carbonica)... Continua...

Sorbtion Enhanced Reforming (SER)
Una evoluzione dello Steam reforming , consente di ottenere idrogeno estremamente puro con temperature di reazione particolarmente basse, per cui il processo è più economico.... Continua...

Gassificazione del carbone
L'idrogeno si produce facendo reagire a 900 °C il vapor d'acqua con carbone coke e poi, a 500 °C, con un catalizzatore a base di ossidi di ferro; il gas risultante, formato da idrogeno e monossido di carbonio, era un tempo utilizzato come gas di città.... Continua...

Cracking
Consiste nella rottura della molecola del metano mediante sistemi termici. Produce carbone e non CO. Non è tra i sistemi più efficenti.... Continua...

Ossidazione parziale
Permette di ottenere idrogeno da idrocarburi pesanti come la nafta, è poco efficiente ed è necessario usare ossigeno puro.... Continua...

Elettrolisi dell' acqua
Attualmente è l'unico metodo per ottenere idrogeno (e ossigeno) dall'acqua
Consiste nell'introdurre nell'acqua un anodo e un catodo e stabilire una differenza di potenziale affinché avvenga la separazione dell'idrogeno dall'ossigeno.Gli elettrolizzatori in commercio ottengono un metro cubo di idrogeno con 3,7 kWh di energia elettrica
E' un metodo con una efficienza elevata e produce idrogeno con un alto grado di purezza.
Attualmente per elettrolisi si producono circa 20 miliardi di metri cubi all'anno di idrogeno ... Continua...

Distillazione secca di biomasse

Come la gassificazione, anche la pirolisi, o distillazione secca, è un processo che per mezzo della decomposizione termica, spezza le molecole complesse delle sostanze organiche in elementi semplici, separati. Essa consiste nel riscaldare la sostanza a 900-1000 °C, in assenza di aria, in opportuni impianti, con ottenimento di sostanze volatili e di un residuo solido.... Continua...

Sistemi e progetti sperimentali per la produzione di idrogeno
Tutte le fonti primarie di energia rinnovabili permettono di ottenere idrogeno, seguendo percorsi simili o alternativi, in generale la maggiore convenienza si ha laddove il percorso ha meno passaggi.




Idrolisi termochimica
Consiste nell'utilizzo di calore a temperature medio-alte (500-700°C) e un catalizzatore chimico per scomporre l'acqua nei suoi componenti ottenendo idrogeno e in genere anche ossigeno

L' ENEA sta esaminando 4 sistemi di idrolisi termochimica, diversi sia per le caratteristiche tecniche e sia per la maturità scientifica e tecnologica raggiunta:
  • processo UT-3
  • processo Zolfo-Iodio
  • processo ferriti miste
  • processo ZnO-Zn
Questi sistemi sono applicabili alle tecnologie di concentrazione solare ma hanno origine da ricerche sul recupero-utilizzo del calore residuo ottenuto a valle della produzione di energia elettrica in centrali nucleari ad alta temperatura (HTGR).... Continua...

Tecniche biochimiche
Alcuni ricercatori stanno sperimentando la produzione di idrogeno dai "rifiuti umidi" o da acque di scarico di processi alimentari tramite bioreattori anaerobici. E' una tecnologia promettente anche se allo stato sperimentale, ricercatori impegnati in vari progetti ritengono di poter arrivare a sistemi commerciali in tempi medio/brevi.... Continua...

Tecniche Fotobiologiche
Consiste nell' utilizzo di energia solare abbinata a sistemi biologici, come alghe, microrganismi ingegnerizzati, rifiuti organici. In particolare, gli studi sono rivolti all'ingegneria genetica per ottimizzare la produzione di idrogeno da parte di microrganismi fotosintetici. Molto attivi in questo campo sono i laboratori dell'ENIRicerche, grazie agli studi effettuati, nel centro di San Donato Milanese, sul Pyrococcus furiosus, un batterio resistente a temperature elevate e, considerato molto promettente.... Continua...

Tecniche Fotoelettrochimiche
Consiste nell' utilizzo di sistemi catalizzatori o semiconduttori che associati all'azione della luce solare sarebbero in grado di scindere le molecole d'acqua
Agli inizi degli anni settanta due ricercatori giapponesi, Fujishima e Honda, hanno brevettato un procedimento di fotoelettrolisi, basato sul biossido di titanio, o rutilo, come fotoelettrodo, che ha dato inizio a numerose ricerche, non ancora sfociate nella realizzazione di un impianto.... Continua...

Termo-elettrolisi
Applicando l'elettrolisi su vapore ad alta temperatura ( 900/1000 °C) si ottiene idrogeno con circa 2,4 kWh per metro cubo. Comunque si ha una maggiore efficienza elettrolitica in rapporto direttamente proporzionale alla temperatura: a 15/20 °C per scindere l'acqua l' 83% dell'energia di reazione deve essere energia elettrica, mentre a 1000°C tale quota scende al 65%. Il vapore ad alta temperatura potrebbe essere ricavato, ad esempio, da soffioni geotermici o da sistemi termosolari a concentrazione.

Termolisi

Consiste nel dissociare le molecole di acqua tramite solo apporto di calore che richiede temperature molto elevate, circa 3000 °C. Sono però notevoli i problemi relativi alla gestione di temperature tanto elevate.

Fotolisi
La scissione dell'acqua si potrebbe realizzare anche per fotolisi, sfruttando cioè solamente la radiazione solare luminosa.
I ricercatori che perseguono questo metodo sono ancora lontani, anche concettualmente, dalla soluzione.