legolego
January 31st, 2011, 05:31 PM
PERCHÉ L’IDROGENO
L’idrogeno è un vettore in grado di soddisfare i requisiti precedentemente indicati; infatti:
• è un gas che brucia nell’aria secondo la semplice reazione: idrogeno più ossigeno uguale acqua e calore
H2 + 1/2 O2 = H2O + calore
dando quindi come unico prodotto di reazione acqua pura;
• può essere prodotto sia da fonti fossili, sia da fonti rinnovabili, sia da fonte nucleare;
• può essere distribuito in rete abbastanza agevolmente compatibilmente con gli usi finali e con lo sviluppo delle tecnologie di trasporto e di stoccaggio;
• può essere impiegato in diverse applicazioni (produzione di energia elettrica centralizzata o distribuita, generazione di calore, trazione) con un impatto locale nullo o estremamente ridotto; sono indubbi i vantaggi energetici e soprattutto ambientali che conseguirebbero dall’uso esteso dell’idrogeno in particolari sistemi elettrochimici denominati “celle a combustibile” che permettono la trasformazione diretta dell’energia chimica contenuta nel gas in energia elettrica, senza altre emissioni dannose.
Si può dire, quindi, che l’idrogeno rappresenta in prospettiva un componente ideale di un futuro sistema energetico sostenibile, costituendo un incentivo verso l’impiego diffuso delle fonti rinnovabili (e di un “nuovo nucleare”), ma già nel breve-medio termine può rendere i combustibili fossili compatibili con le esigenze ambientali.
COS’È E COME SI PRODUCE
L’idrogeno, l’elemento più leggero e abbondante dell’universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare a causa della sua estrema volatilità – si trova, ad esempio, nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole – ma viceversa è molto diffuso sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali, organismi animali e vegetali) e può quindi essere prodotto a partire da diverse fonti. L’interesse per il suo impiego come combustibile, sia per applicazioni stazionarie che per la trazione, deriva dal fatto che l’inquinamento prodotto è quasi
nullo; infatti, come già accennato, se usato in sistemi a combustione produce vapor d’acqua e tracce di ossidi di azoto, oppure solo vapor d’acqua se utilizzato con sistemi elettrochimici con celle a combustibile.
Rispetto agli altri combustibili, l’idrogeno è un gas incolore, inodore, non velenoso, estremamente volatile e leggero: presenta quindi un ridotto contenuto energetico per unità di volume, mentre ha il più alto contenuto di energia per unità di massa. Per fare un confronto con un altro combustibile, ad esempio il gasolio, possiamo dire che un litro di gasolio, come contenuto energetico, equivale a:
• 3,12 m3 di idrogeno gassoso (in condizioni normali);
• 4,13 litri di idrogeno liquido
dove però la combustione dell’idrogeno può essere realizzata con un’efficienza più alta.
A fronte di queste qualità energetiche e soprattutto ambientali, tuttavia l’introduzione dell’idrogeno come combustibile - e più in generale come vettore energetico - richiede che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolare la produzione, il trasporto, l’accumulo e l’utilizzo. A titolo di esempio, solo per la liquefazione a -253 °C occorrono particolari tecnologie oltre che
la predisposizione di speciali container per il trasporto.
Per quanto riguarda la produzione, ricordiamo che le fonti primarie di partenza possono essere sia fossili che rinnovabili in modo da contribuire alla diversificazione ed all’integrazione tra i diversi tipi di energia.
PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI
Le tecnologie di produzione dell’idrogeno a partire dai combustibili fossili sono mature e ampiamente utilizzate, anche se vanno ottimizzate da un punto di vista economico, energetico e di impatto ambientale. Dei circa 500 miliardi di Nm3 di idrogeno prodotti annualmente a livello mondiale, circa 190 miliardi rappresentano un sottoprodotto dell’industria chimica (ad es. dagli impianti cloro-soda), mentre la maggior frazione deriva da combustibili fossili, gas naturale ed olio pesante, attraverso processi di reforming e di ossidazione parziale.
Tali processi prevedono la produzione del gas attraverso successivi stadi di raffinazione e di frazionamento delle molecole degli idrocarburi fino alla completa eliminazione del carbonio. Con questa linea oggi viene prodotta una grandissima quantità di idrogeno, tutta quella consumata sul mercato della chimica dei fertilizzanti di sintesi e nella metallurgia dell’acciaio. Il processo più diffuso, “steam reforming”, reazione a caldo del metano con vapore a 800 °C in modo da ossidare il carbonio e liberare idrogeno dalla molecola con emissione di anidride carbonica è tecnicamente molto ben sperimentato e viene realizzato industrialmente con reattori di grosse capacità.
[...]
La produzione da fonti fossili, però, ha l’inconveniente di dar luogo - come prodotto di scarto - alla emissione di grandi quantità di CO2, cosicché l’idrogeno - pur utilizzabile in modo pulito - non è comunque incolpevole a causa dell’inquinamento prodotto nel ciclo di lavorazione.
Per ovviare a ciò occorrerebbe raccogliere e confinare la CO2 prodotta nei grossi impianti, sfruttando l’esperienza in materia delle compagnie petrolifere. Per queste si può anche ipotizzare una parziale riconversione che consenta di produrre idrogeno dagli idrocarburi, idrogeno che verrebbe poi utilizzato negli autoveicoli (conservando ovviamente il profitto per le compagnie).
Dal punto di vista ambientale, questa soluzione ha il vantaggio di evitare le emissioni di CO2 di una miriade di veicoli sparsi sul territorio, concentrandole negli impianti petrolchimici da dove però potrebbero essere catturate con opportuni filtri, trasformate in forma liquida o solida e poi immagazzinate in giacimenti geologici profondi e di caratteristiche adeguate che ne dovrebbero impedire la reimmissione in atmosfera. Nel nostro Paese, come in altri, le opzioni principali
sono due:
• pompaggio nei giacimenti esauriti di gas e petrolio;
• immissione nei cosiddetti acquiferi salini, formazioni stabili sotterranee non altrimenti utilizzabili, e in fondali oceanici situati a grande profondità (oltre 1.000 m sotto il livello del mare) dove la CO2 si manterrebbe allo stato liquido indefinitamente a causa dell’enorme pressione ivi esistente.
Dal punto di vista tecnico, queste proposte - il cui sviluppo già costituisce di per sé un programma di ampie dimensioni - sono già oggi realizzabili con qualche aggiustamento e modifica di tecnologie esistenti in modo da consentire uno sviluppo graduale delle infrastrutture del settore energetico e quindi una riduzione degli inquinanti nel breve-medio termine. È tuttavia da tener presente che la produzione di idrogeno da combustibili fossili deve essere considerata come una sorta di “ponte tecnologico” verso la produzione da fonti rinnovabili - soluzione più promettente nel lungo termine - in quanto lascerebbe irrisolti in particolare i problemi economici a causa dell’inevitabile progressivo esaurimento delle riserve di combustibili fossili e del costo aggiuntivo del confinamento della CO2.
L’idrogeno è un vettore in grado di soddisfare i requisiti precedentemente indicati; infatti:
• è un gas che brucia nell’aria secondo la semplice reazione: idrogeno più ossigeno uguale acqua e calore
H2 + 1/2 O2 = H2O + calore
dando quindi come unico prodotto di reazione acqua pura;
• può essere prodotto sia da fonti fossili, sia da fonti rinnovabili, sia da fonte nucleare;
• può essere distribuito in rete abbastanza agevolmente compatibilmente con gli usi finali e con lo sviluppo delle tecnologie di trasporto e di stoccaggio;
• può essere impiegato in diverse applicazioni (produzione di energia elettrica centralizzata o distribuita, generazione di calore, trazione) con un impatto locale nullo o estremamente ridotto; sono indubbi i vantaggi energetici e soprattutto ambientali che conseguirebbero dall’uso esteso dell’idrogeno in particolari sistemi elettrochimici denominati “celle a combustibile” che permettono la trasformazione diretta dell’energia chimica contenuta nel gas in energia elettrica, senza altre emissioni dannose.
Si può dire, quindi, che l’idrogeno rappresenta in prospettiva un componente ideale di un futuro sistema energetico sostenibile, costituendo un incentivo verso l’impiego diffuso delle fonti rinnovabili (e di un “nuovo nucleare”), ma già nel breve-medio termine può rendere i combustibili fossili compatibili con le esigenze ambientali.
COS’È E COME SI PRODUCE
L’idrogeno, l’elemento più leggero e abbondante dell’universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare a causa della sua estrema volatilità – si trova, ad esempio, nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole – ma viceversa è molto diffuso sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali, organismi animali e vegetali) e può quindi essere prodotto a partire da diverse fonti. L’interesse per il suo impiego come combustibile, sia per applicazioni stazionarie che per la trazione, deriva dal fatto che l’inquinamento prodotto è quasi
nullo; infatti, come già accennato, se usato in sistemi a combustione produce vapor d’acqua e tracce di ossidi di azoto, oppure solo vapor d’acqua se utilizzato con sistemi elettrochimici con celle a combustibile.
Rispetto agli altri combustibili, l’idrogeno è un gas incolore, inodore, non velenoso, estremamente volatile e leggero: presenta quindi un ridotto contenuto energetico per unità di volume, mentre ha il più alto contenuto di energia per unità di massa. Per fare un confronto con un altro combustibile, ad esempio il gasolio, possiamo dire che un litro di gasolio, come contenuto energetico, equivale a:
• 3,12 m3 di idrogeno gassoso (in condizioni normali);
• 4,13 litri di idrogeno liquido
dove però la combustione dell’idrogeno può essere realizzata con un’efficienza più alta.
A fronte di queste qualità energetiche e soprattutto ambientali, tuttavia l’introduzione dell’idrogeno come combustibile - e più in generale come vettore energetico - richiede che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolare la produzione, il trasporto, l’accumulo e l’utilizzo. A titolo di esempio, solo per la liquefazione a -253 °C occorrono particolari tecnologie oltre che
la predisposizione di speciali container per il trasporto.
Per quanto riguarda la produzione, ricordiamo che le fonti primarie di partenza possono essere sia fossili che rinnovabili in modo da contribuire alla diversificazione ed all’integrazione tra i diversi tipi di energia.
PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI
Le tecnologie di produzione dell’idrogeno a partire dai combustibili fossili sono mature e ampiamente utilizzate, anche se vanno ottimizzate da un punto di vista economico, energetico e di impatto ambientale. Dei circa 500 miliardi di Nm3 di idrogeno prodotti annualmente a livello mondiale, circa 190 miliardi rappresentano un sottoprodotto dell’industria chimica (ad es. dagli impianti cloro-soda), mentre la maggior frazione deriva da combustibili fossili, gas naturale ed olio pesante, attraverso processi di reforming e di ossidazione parziale.
Tali processi prevedono la produzione del gas attraverso successivi stadi di raffinazione e di frazionamento delle molecole degli idrocarburi fino alla completa eliminazione del carbonio. Con questa linea oggi viene prodotta una grandissima quantità di idrogeno, tutta quella consumata sul mercato della chimica dei fertilizzanti di sintesi e nella metallurgia dell’acciaio. Il processo più diffuso, “steam reforming”, reazione a caldo del metano con vapore a 800 °C in modo da ossidare il carbonio e liberare idrogeno dalla molecola con emissione di anidride carbonica è tecnicamente molto ben sperimentato e viene realizzato industrialmente con reattori di grosse capacità.
[...]
La produzione da fonti fossili, però, ha l’inconveniente di dar luogo - come prodotto di scarto - alla emissione di grandi quantità di CO2, cosicché l’idrogeno - pur utilizzabile in modo pulito - non è comunque incolpevole a causa dell’inquinamento prodotto nel ciclo di lavorazione.
Per ovviare a ciò occorrerebbe raccogliere e confinare la CO2 prodotta nei grossi impianti, sfruttando l’esperienza in materia delle compagnie petrolifere. Per queste si può anche ipotizzare una parziale riconversione che consenta di produrre idrogeno dagli idrocarburi, idrogeno che verrebbe poi utilizzato negli autoveicoli (conservando ovviamente il profitto per le compagnie).
Dal punto di vista ambientale, questa soluzione ha il vantaggio di evitare le emissioni di CO2 di una miriade di veicoli sparsi sul territorio, concentrandole negli impianti petrolchimici da dove però potrebbero essere catturate con opportuni filtri, trasformate in forma liquida o solida e poi immagazzinate in giacimenti geologici profondi e di caratteristiche adeguate che ne dovrebbero impedire la reimmissione in atmosfera. Nel nostro Paese, come in altri, le opzioni principali
sono due:
• pompaggio nei giacimenti esauriti di gas e petrolio;
• immissione nei cosiddetti acquiferi salini, formazioni stabili sotterranee non altrimenti utilizzabili, e in fondali oceanici situati a grande profondità (oltre 1.000 m sotto il livello del mare) dove la CO2 si manterrebbe allo stato liquido indefinitamente a causa dell’enorme pressione ivi esistente.
Dal punto di vista tecnico, queste proposte - il cui sviluppo già costituisce di per sé un programma di ampie dimensioni - sono già oggi realizzabili con qualche aggiustamento e modifica di tecnologie esistenti in modo da consentire uno sviluppo graduale delle infrastrutture del settore energetico e quindi una riduzione degli inquinanti nel breve-medio termine. È tuttavia da tener presente che la produzione di idrogeno da combustibili fossili deve essere considerata come una sorta di “ponte tecnologico” verso la produzione da fonti rinnovabili - soluzione più promettente nel lungo termine - in quanto lascerebbe irrisolti in particolare i problemi economici a causa dell’inevitabile progressivo esaurimento delle riserve di combustibili fossili e del costo aggiuntivo del confinamento della CO2.