Sfruttare la pirolisi per separare l'idrogeno e alimentare un futuro a basse emissioni di carbonio.
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. La pirolisi è un processo chimico che scompone una sostanza organica in presenza di calore in assenza di ossigeno. Nel caso dell’idrogeno, il metano (CH₄), che è il principale costituente del gas naturale, viene scomposto in idrogeno (H₂) e carbonio solido in un reattore ad alta temperatura.
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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.
Numerosi studi e pubblicazioni hanno indicato che l'energia del sole e dei suoi derivati (vento, acqua) è di gran lunga sufficiente a soddisfare la domanda energetica mondiale ma la grande variazione di potenza giornaliera e stagionale dell'energia rinnovabile è un'ulteriore complicazione per un'ampia sostituzione dell'energia fossile con l'energia rinnovabile.
Lo stoccaggio di energia giornaliero e stagionale su larga scala è quindi urgentemente necessario per rendere possibile la trasformazione verso una società basata sulle energie rinnovabili.
Tra i vari metodi esistenti è possibile stoccare l’energia mediante la produzione di combustibili chimici come l'idrogeno.
È urgente sviluppare tecnologie di produzione di idrogeno più sostenibili per ridurre l'intensità di carbonio associata, poiché la domanda globale di idrogeno sta aumentando.
L'idrogeno può essere utilizzato per la produzione di carburanti sintetici per autoveicoli, può generare energia elettrica nelle celle a combustibile o può riscaldare le nostre case. Il problema è che l'idrogeno si trova normalmente come costituente di composti, specialmente composti organici. Per utilizzare l'idrogeno come combustibile, deve prima essere separato da questi composti mediante processi chimici ad alta intensità energetica. Sono disponibili vari processi, inclusa la pirolisi.
Se la quantità di idrogeno necessaria in futuro fosse prodotta esclusivamente mediante elettrolisi dell'acqua, nella sola Europa sarebbero necessarie diverse migliaia di terawattora di energia elettrica da fonti rinnovabili. Uno dei possibili processi alternativi di produzione dell'idrogeno rinnovabile è la pirolisi del metano. Rispetto ad altri processi alternativi, la pirolisi del metano offre una resa di idrogeno molto elevata unita al minor fabbisogno energetico (è richiesto meno di un quarto dell'energia necessaria per l'elettrolisi dell'acqua).
Che cos’è la pirolisi
La parola “pirolisi” è una combinazione delle parole greche antiche per fuoco “Pyr” e soluzione “Lysis”. Descrive la decomposizione termochimica dei composti organici con l'esclusione dell'ossigeno. Quindi non è una combustione. La tecnologia offre una serie di possibilità applicative ed è interessante anche dal punto di vista ambientale ed economico.
Il processo di pirolisi più noto è quella del metano. Il metano (CH₄), il principale costituente del gas naturale, viene scisso in idrogeno (H₂) e carbonio solido (C) in un reattore ad alta temperatura. Il vantaggio di questa tecnologia è che non ci sono emissioni di gas serra CO₂ durante il processo.
Il carbonio solido prodotto al posto dell'anidride carbonica può essere utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni industriali.
La pirolisi del metano unisce inoltre una serie di vantaggi diversi: ad esempio, a differenza dei processi “convenzionali” per la produzione di idrogeno da gas naturale mediante steam reforming, la pirolisi non provoca alcuna emissione di CO₂. Inoltre, la pirolisi è notevolmente più efficiente rispetto ad altri processi, con un fabbisogno energetico specifico di 37,8 kJ/molH2 rispetto a 63,3 kJ/molH₂ per lo steam reforming o 285,9 kJ/molH₂ per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi.
La plasmalisi a fascio di elettroni
La plasmalisi è un processo che consente di produrre idrogeno in modo notevolmente più efficiente e in un modo più compatibile con l'ambiente rispetto ai precedenti metodi di pirolisi del metano. La nuova caratteristica è che le molecole di metano sono separate da elettroni accelerati. L'efficienza è quindi notevolmente superiore rispetto a qualsiasi altro processo di pirolisi.
Valutazione delle emissioni di gas serra dell'idrogeno turchese
Per valutare il potenziale di riduzione dei gas serra dell'idrogeno turchese (H₂), è necessario considerare le emissioni di gas serra del flusso di valore sottostante, ovvero anche le cosiddette "emissioni a monte".
In questo contesto, le emissioni sono quelle create durante la produzione, trasformazione, trasporto, stoccaggio e distribuzione del gas naturale e la fornitura di energia elettrica
La figura mostra i risultati di un'analisi delle emissioni di gas serra nella produzione di H₂ turchese per un impianto di produzione in Germania.
Le emissioni dei gas serra sono fortemente legate alla produzione di energia elettrica. Per l’impianto tedesco si prevede che le emissioni di gas serra diminuiranno quindi da 146g CO₂eq/kWhH2 nel 2020 a 53g CO₂eq/kWhH2 nel 2045. La produzione di H2 grigio da steam reforming produce circa 310g CO₂ eq/kWhH2
Utilizzo del carbonio dalla pirolisi del metano
Oltre all'idrogeno puro, la pirolisi del metano produce anche carbonio solido. A seconda dell'allotropo in questione e del grado di purezza, questo carbonio può essere utilizzato in molte applicazioni diverse.
Attualmente l'idrogeno è prodotto principalmente dallo steam reforming del gas naturale, un processo che rilascia CO₂ ed è utilizzato principalmente nell'industria chimica e petrolchimica.
La pirolisi del metano produce come sottoprodotto carbonio e l'idrogeno prodotto è privo di CO₂.
Per ogni chilogrammo di H₂ vengono prodotti circa 3 kg di carbonio solido (C). In termini di pieno utilizzo delle risorse, l'uso sostenibile di questo carbonio elementare è estremamente importante.
Le indagini scientifiche condotte, confermano la correlazione tra la morfologia del carbonio prodotto e il processo di pirolisi. È quindi possibile adeguare la qualità del carbonio prodotto ai parametri tecnici richiesti dal processo applicativo per quanto riguarda allotropo e granulometria.
A seconda dell'allotropo (grafite, grafene, fuliggine, nanotubi di carbonio, ecc.) e della purezza del carbonio prodotto, può essere utilizzato per una varietà di applicazioni diverse.
Le possibilità disponibili includono sia applicazioni high-tech come nanotubi di carbonio, materiali ad alte prestazioni, supercondensatori e serbatoi di carbonio microporoso per lo stoccaggio dell'idrogeno ad alta efficienza energetica da un lato e l'utilizzo come materia prima per prodotti in gomma e plastica e nell'asfalto e ceramica, come additivo per lubrificanti, polveri di colata e materiali per elettrodi per l'industria metallurgica e come materia prima per batterie e sistemi di accumulo di energia elettrica.
Il ciclo della pirolisi del metano
La pirolisi del metano neutralizza le emissioni di metano senza abbattimento e integra le rinnovabili. La gassificazione converte tutti i materiali carboniosi, da biomasse o fossili (ad esempio plastica o rifiuti), in gas per alimentare il processo di pirolisi.
Le materie prime per la pirolisi possono essere metano da fonti biogeniche (ad esempio biogas, gas di discarica e/o gassificazione dei rifiuti) o gas naturale.
L’idrogeno può essere utilizzato per diverse applicazioni. Ad esempio, l'idrogeno può essere immesso nelle reti del gas, contribuendo alla decarbonizzazione del mercato dell'energia termica.
Inoltre, l'idrogeno può essere utilizzato negli impianti di cogenerazione; il calore prodotto dalla centrale o dall'impianto di pirolisi può poi essere utilizzato nei sistemi di teleriscaldamento. Altre possibili applicazioni includono il settore della mobilità, per alimentare treni e navi, ma anche veicoli stradali. Per l'industria, la pirolisi può essere attraente per aiutare nel percorso di decarbonizzazione.
Il carbonio solido, come la grafite sintetica e il carbone attivo, è una materia prima utilizzata nella produzione di batterie, piastre bipolari per celle a combustibile ed elettrolizzatori, o nell'industria dei semiconduttori, eolica e solare.
Il carbonio può essere utilizzato per migliorare il suolo in quanto offre una maggiore ritenzione idrica, minore erosione del suolo, maggiore assorbimento di CO₂ da parte delle piante, minore fabbisogno di fertilizzanti. Quantità in eccesso di carbonio solido possono essere immagazzinate in modo sicuro nel sottosuolo per un periodo indefinito (ad esempio nelle miniere di carbone abbandonate).
Grafene e idrogeno: due materiali che possono aiutare la decarbonizzazione
Il grafene è il composto più sottile conosciuto dall'uomo e con proprietà uniche: il materiale più leggero conosciuto, il composto più resistente dell’acciaio (tra 100 e 300 volte più forte dell'acciaio con una resistenza alla trazione di 130 GPa), ottimo conduttore di calore a temperatura ambiente e anche il miglior conduttore di elettricità conosciuto.
Una ditta inglese ha messo a punto un processo di pirolisi del metano ottenendo idrogeno e grafene
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
 Produzione dell’idrogeno, in generale |
Idrogeno da combustibili fossili, steam reforming  |
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