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Come si produce l’idrogeno? Alla scoperta del combustibile del futuro
Come si produce l’idrogeno? Alla scoperta del combustibile del futuro
L’idrogeno è l’elemento più semplice che possiamo trovare sulla terra. I suoi atomi infatti sono costituiti da un unico protone e un unico elettrone. Non a caso l’idrogeno è il primo elemento della tavola periodica.
Come molti potrebbero pensare l’idrogeno non è una fonte di energia, ma un VETTORE DI ENERGIA, poiché è in grado di accumulare e successivamente fornire energia. Come nel caso delle celle a combustibile, che generano energia elettrica utilizzando una reazione chimica di idrogeno, producendo come sottoprodotti solamente acqua, calore e soprattutto elettricità.
Sebbene l’idrogeno sia l’elemento più abbondante dell’universo, sulla Terra è prodotto utilizzando diverse risorse interne, inclusi i combustibili fossili, come gas naturali e il carbone, l’acqua, l’energia nucleare, e altre fonti di energia rinnovabile, come biomassa, eolica, solare, geotermica e idroelettrica, utilizzando un’ampia gamma di processi.
L’idrogeno può essere prodotto:
• Presso o vicino al sito di utilizzo;
• Presso grandi strutture e successivamente consegnato al punto di utilizzo;
• In strutture di scala intermedia situate in stretta prossimità (da i 40 ai 160 km) dal punto di utilizzo.
L’idrogeno può essere prodotto attraverso vari processi.
I PROCESSI TERMOCHIMICI utilizzano il calore e le reazioni chimiche per rilasciare idrogeno da materiali organici come combustibili fossili e biomasse.
L’acqua (H2O) può essere suddivisa in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) per mezzo di PROCESSI ELETTROLITICI o per mezzo dell’energia solare con PROCESSI FOTOLITICI.
Anche microrganismi come batteri e alghe possono produrre idrogeno attraverso PROCESSI BIOLOGICI.
Ma vediamo ora quali sono per ognuna di queste categorie di processi, le tecnologie più comuni per la produzione dell’idrogeno.
I PROCESSI TERMOCHIMICI, come suggerisce il nome, utilizzano il calore e le reazioni chimiche per estrarre l’idrogeno dalla struttura molecolare di: gas naturali, carbone, biomasse, o addirittura dall’acqua.
La REAZIONE DI REFORMING CON GAS NATURALE è il metodo più utilizzato al giorno d’oggi per la produzione di idrogeno. In questo tipo di reazione si utilizzano gli idrocarburi, come il metano.
Il gas naturale contiene metano (CH4) che può essere utilizzato per produrre idrogeno con processi termochimici, come il REFORMING CON VAPORE e l’OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO.
Nella REFORMING CON VAPORE (o "steam reforming"), il metano e altri idrocarburi reagiscono con il vapore ad alta temperatura e pressione, e grazie alla presenza di un catalizzatore la reazione chimica è accelerata.
I prodotti di reazione sono: idrogeno e monossido di carbonio. Il processo di reforming a vapore è endotermico, ovvero il calore deve essere fornito al processo affinché la reazione proceda, solitamente bruciando parte del metano.
REAZIONE DI REFORMING CON VAPORE
Nell’OSSIDAZIONE PARZIALE invece, il metano reagisce con una quantità limitata di ossigeno che non è sufficiente per ossidare completamente gli idrocarburi in anidride carbonica e acqua. I prodotti di reazione sono sempre idrogeno e monossido di carbonio, ma come si può vedere nelle reazioni chimiche l’ossidazione parziale produce meno idrogeno con la stessa quantità di combustibile rispetto al REFORMING CON VAPORE. Però l’OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO è un processo esotermico, ovvero emette calore, per questo risulta molto più veloce del REFORMING CON VAPORE.
REAZIONE DI OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO
Successivamente, in tutti e due questi processi, il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire con l’aiuto di un catalizzatore nella "REAZIONE DI SPOSTAMENTO DEL GAS D’ACQUA", per produrre anidride carbonica e altro idrogeno. Nella fase finale del processo, chiamata "adsorbimento a oscillazione di pressione", l’anidride carbonica viene rimossa ottenendo così idrogeno puro.
Come molti potrebbero pensare l’idrogeno non è una fonte di energia, ma un VETTORE DI ENERGIA, poiché è in grado di accumulare e successivamente fornire energia. Come nel caso delle celle a combustibile, che generano energia elettrica utilizzando una reazione chimica di idrogeno, producendo come sottoprodotti solamente acqua, calore e soprattutto elettricità.
Sebbene l’idrogeno sia l’elemento più abbondante dell’universo, sulla Terra è prodotto utilizzando diverse risorse interne, inclusi i combustibili fossili, come gas naturali e il carbone, l’acqua, l’energia nucleare, e altre fonti di energia rinnovabile, come biomassa, eolica, solare, geotermica e idroelettrica, utilizzando un’ampia gamma di processi.
L’idrogeno può essere prodotto:
• Presso o vicino al sito di utilizzo;
• Presso grandi strutture e successivamente consegnato al punto di utilizzo;
• In strutture di scala intermedia situate in stretta prossimità (da i 40 ai 160 km) dal punto di utilizzo.
L’idrogeno può essere prodotto attraverso vari processi.
I PROCESSI TERMOCHIMICI utilizzano il calore e le reazioni chimiche per rilasciare idrogeno da materiali organici come combustibili fossili e biomasse.
L’acqua (H2O) può essere suddivisa in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) per mezzo di PROCESSI ELETTROLITICI o per mezzo dell’energia solare con PROCESSI FOTOLITICI.
Anche microrganismi come batteri e alghe possono produrre idrogeno attraverso PROCESSI BIOLOGICI.
Ma vediamo ora quali sono per ognuna di queste categorie di processi, le tecnologie più comuni per la produzione dell’idrogeno.
I PROCESSI TERMOCHIMICI, come suggerisce il nome, utilizzano il calore e le reazioni chimiche per estrarre l’idrogeno dalla struttura molecolare di: gas naturali, carbone, biomasse, o addirittura dall’acqua.
La REAZIONE DI REFORMING CON GAS NATURALE è il metodo più utilizzato al giorno d’oggi per la produzione di idrogeno. In questo tipo di reazione si utilizzano gli idrocarburi, come il metano.
Il gas naturale contiene metano (CH4) che può essere utilizzato per produrre idrogeno con processi termochimici, come il REFORMING CON VAPORE e l’OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO.
Nella REFORMING CON VAPORE (o "steam reforming"), il metano e altri idrocarburi reagiscono con il vapore ad alta temperatura e pressione, e grazie alla presenza di un catalizzatore la reazione chimica è accelerata.
I prodotti di reazione sono: idrogeno e monossido di carbonio. Il processo di reforming a vapore è endotermico, ovvero il calore deve essere fornito al processo affinché la reazione proceda, solitamente bruciando parte del metano.
REAZIONE DI REFORMING CON VAPORE
Nell’OSSIDAZIONE PARZIALE invece, il metano reagisce con una quantità limitata di ossigeno che non è sufficiente per ossidare completamente gli idrocarburi in anidride carbonica e acqua. I prodotti di reazione sono sempre idrogeno e monossido di carbonio, ma come si può vedere nelle reazioni chimiche l’ossidazione parziale produce meno idrogeno con la stessa quantità di combustibile rispetto al REFORMING CON VAPORE. Però l’OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO è un processo esotermico, ovvero emette calore, per questo risulta molto più veloce del REFORMING CON VAPORE.
REAZIONE DI OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO
Successivamente, in tutti e due questi processi, il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire con l’aiuto di un catalizzatore nella "REAZIONE DI SPOSTAMENTO DEL GAS D’ACQUA", per produrre anidride carbonica e altro idrogeno. Nella fase finale del processo, chiamata "adsorbimento a oscillazione di pressione", l’anidride carbonica viene rimossa ottenendo così idrogeno puro.
REAZIONE DI SPOSTAMENTO DEL GAS D’ACQUA
Passiamo ai PROCESSI ELETTROLITICI, in cui si usa energia elettrica per sviluppare reazioni chimiche.
Possiamo citare il più comune, l’ELETTROLISI DELL’ACQUA, in cui si utilizza dell’elettricità per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno.
Questo può essere un metodo sostenibile per la produzione di idrogeno, poiché per l’elettrolisi possono essere utilizzate fonti energetiche rinnovabili che a loro volta sono state prodotte senza emissioni di gas serra.
Nell’ELETTROLISI DELL’ACQUA, la cella elettrolitica è costituita da un anodo e un catodo separati da un elettrolita, esattamente come nelle celle a combustibile, in queste ultime però il processo che avviene al loro interno è esattamente contrario.
In questo elettrolizzatore con membrana polimerica elettrolita (PEM), l’elettrolita è costituito da un materiale plastico solido speciale.
L’acqua reagisce con l’anodo per formare
- ossigeno
- ioni idrogeno caricati positivamente (ovvero protoni) i quali si muovono selettivamente attraverso la membrana polimerica elettrolita (PEM) fino al catodo.
- elettroni, che fluiscono attraverso un circuito esterno fino ad arrivare anch’essi al catodo.
Raggiunto il catodo, gli ioni idrogeno si combinano con gli elettroni del circuito esterno per formare gas idrogeno.
Mentre i processi elettrolitici utilizzano l’elettricità, i PROCESSI FOTOLITICI invece utilizzano l’energia della luce per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questi processi offrono un potenziale per la produzione sostenibile di idrogeno con un basso impatto ambientale.
In una CELLA FOTOELETTROCHIMICA (PEC) i semiconduttori sono simili a quelli utilizzati nella generazione di elettricità solare fotovoltaica. Sono immersi in un elettrolita a base d’acqua, dove la luce solare eccita il processo di scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno in un processo simile all’elettrolisi dell’acqua.
Fra i PROCESSI BIOLOGICI possiamo annoverare i PROCESSI DI CONVERSIONE DELLA BIOMASSA MICROBICA, che sfruttano la capacità dei microrganismi di consumare e digerire la biomassa e di rilasciare idrogeno.
Ma come funziona questo particolare ciclo di produzione?
Nei sistemi basati sulla fermentazione, microrganismi come i batteri, scompongono la materia organica per produrre idrogeno. Le celle di elettrolisi microbica (MEC) sono dispositivi che sfruttano l’energia e i protoni prodotti dai microbi per generare idrogeno.
Vediamo come funziona:
la cella di elettrolisi è composta da un anodo ed un catodo; i microbi, presenti nella sezione dell’anodo, consumano materia organica come l’acido acetico, producendo elettroni e protoni. Gli elettroni passano attraverso un filo fino all’elettrodo nella sezione del catodo. Con l’aiuto di una piccola tensione elettrica, i protoni vengono combinati con gli elettroni per produrre idrogeno gassoso. Il cosiddetto idrogeno verde è quello prodotto da risorse rinnovabili.
Sebbene il grave svantaggio per la produzione dell’idrogeno verde, sia la necessità di una grande quantità di elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili, l’ottima notizia è che i prezzi delle energie pulite sono fortemente diminuiti negli ultimi anni; e al tempo stesso l’aumento dei prezzi dei combustibili fossili, la diminuzione delle loro riserve e le soluzioni per combattere il cambiamento climatico e l’inquinamento atmosferico, stanno portando molti paesi a investire in questa tecnologia in settori come: i trasporti, l’industria chimica e l’industria pesante.
In un mondo in cui 7 miliardi di persone sono schiave del petrolio, pensi sarà l’idrogeno verde a essere l’alternativa pulita e più efficace ai combustibili fossili? Faccelo sapere qui sotto nei commenti!
Passiamo ai PROCESSI ELETTROLITICI, in cui si usa energia elettrica per sviluppare reazioni chimiche.
Possiamo citare il più comune, l’ELETTROLISI DELL’ACQUA, in cui si utilizza dell’elettricità per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno.
Questo può essere un metodo sostenibile per la produzione di idrogeno, poiché per l’elettrolisi possono essere utilizzate fonti energetiche rinnovabili che a loro volta sono state prodotte senza emissioni di gas serra.
Nell’ELETTROLISI DELL’ACQUA, la cella elettrolitica è costituita da un anodo e un catodo separati da un elettrolita, esattamente come nelle celle a combustibile, in queste ultime però il processo che avviene al loro interno è esattamente contrario.
In questo elettrolizzatore con membrana polimerica elettrolita (PEM), l’elettrolita è costituito da un materiale plastico solido speciale.
L’acqua reagisce con l’anodo per formare
- ossigeno
- ioni idrogeno caricati positivamente (ovvero protoni) i quali si muovono selettivamente attraverso la membrana polimerica elettrolita (PEM) fino al catodo.
- elettroni, che fluiscono attraverso un circuito esterno fino ad arrivare anch’essi al catodo.
Raggiunto il catodo, gli ioni idrogeno si combinano con gli elettroni del circuito esterno per formare gas idrogeno.
Mentre i processi elettrolitici utilizzano l’elettricità, i PROCESSI FOTOLITICI invece utilizzano l’energia della luce per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questi processi offrono un potenziale per la produzione sostenibile di idrogeno con un basso impatto ambientale.
In una CELLA FOTOELETTROCHIMICA (PEC) i semiconduttori sono simili a quelli utilizzati nella generazione di elettricità solare fotovoltaica. Sono immersi in un elettrolita a base d’acqua, dove la luce solare eccita il processo di scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno in un processo simile all’elettrolisi dell’acqua.
Fra i PROCESSI BIOLOGICI possiamo annoverare i PROCESSI DI CONVERSIONE DELLA BIOMASSA MICROBICA, che sfruttano la capacità dei microrganismi di consumare e digerire la biomassa e di rilasciare idrogeno.
Ma come funziona questo particolare ciclo di produzione?
Nei sistemi basati sulla fermentazione, microrganismi come i batteri, scompongono la materia organica per produrre idrogeno. Le celle di elettrolisi microbica (MEC) sono dispositivi che sfruttano l’energia e i protoni prodotti dai microbi per generare idrogeno.
Vediamo come funziona:
la cella di elettrolisi è composta da un anodo ed un catodo; i microbi, presenti nella sezione dell’anodo, consumano materia organica come l’acido acetico, producendo elettroni e protoni. Gli elettroni passano attraverso un filo fino all’elettrodo nella sezione del catodo. Con l’aiuto di una piccola tensione elettrica, i protoni vengono combinati con gli elettroni per produrre idrogeno gassoso. Il cosiddetto idrogeno verde è quello prodotto da risorse rinnovabili.
Sebbene il grave svantaggio per la produzione dell’idrogeno verde, sia la necessità di una grande quantità di elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili, l’ottima notizia è che i prezzi delle energie pulite sono fortemente diminuiti negli ultimi anni; e al tempo stesso l’aumento dei prezzi dei combustibili fossili, la diminuzione delle loro riserve e le soluzioni per combattere il cambiamento climatico e l’inquinamento atmosferico, stanno portando molti paesi a investire in questa tecnologia in settori come: i trasporti, l’industria chimica e l’industria pesante.
In un mondo in cui 7 miliardi di persone sono schiave del petrolio, pensi sarà l’idrogeno verde a essere l’alternativa pulita e più efficace ai combustibili fossili? Faccelo sapere qui sotto nei commenti!