Un’innovazione nella scissione del metano potrebbe rivoluzionare la produzione di idrogeno
Quando l’idrogeno viene bruciato come combustibile, il principale sottoprodotto è l’acqua e non l’anidride carbonica (CO2), il che lo rende un’alternativa interessante all’energia prodotta dai combustibili fossili. Il suo contenuto energetico per unità di massa è tra i più elevati tra tutti i combustibili, quasi tre volte superiore a quello della benzina(si apre in una nuova finestra), il che lo rende ideale per settori in cui il peso è un fattore critico, come quello aerospaziale. L’idrogeno può inoltre essere stoccato, trasportato e distribuito, con alcune modifiche, utilizzando le infrastrutture attuali. Attualmente, però, la maggior parte dell’idrogeno viene prodotta tramite processi basati sui combustibili fossili o tramite elettrolisi e, secondo Terje Hauan, coordinatore del progetto ColdSpark(si apre in una nuova finestra) finanziato dall’UE, entrambi presentano dei problemi. «La produzione convenzionale di idrogeno è ad alta intensità di carbonio e richiede un grande impiego di risorse. I processi basati sui combustibili fossili richiedono energia, acqua e catalizzatori, con conseguente produzione di grandi quantità di CO2, mentre l’elettrolisi consuma grandi quantità di elettricità e acqua.» In risposta a ciò, il progetto ColdSpark ha sviluppato una tecnologia a plasma non termico (NTP) che scinde il metano (o biometano) in idrogeno, eliminando le emissioni dirette di CO2 e creando al contempo un prezioso prodotto secondario: il carbonio solido. «Grazie al minor consumo energetico e all’assenza di fabbisogno idrico, offriamo un percorso più pulito e potenzialmente più economico per la produzione di idrogeno», aggiunge Hauan, di SEID(si apre in una nuova finestra), che ha ospitato il progetto.
L’innovativo reattore a plasma non termico
L’idrogeno può essere prodotto tramite: elettrolisi utilizzando elettricità rinnovabile (idrogeno verde), reforming a vapore del metano con cattura del carbonio (idrogeno blu) e cracking/scissione del biometano o del metano (idrogeno turchese), il metodo utilizzato da ColdSpark. A differenza della produzione convenzionale di idrogeno, il reattore del progetto (marchio registrato ColdSpark®) utilizza l’energia elettrica per creare un campo NTP che entra in collisione con le molecole di metano, rompendo i loro legami chimici e trasformandole in idrogeno gassoso e carbonio solido. Invece di fornire un flusso continuo di energia, ColdSpark® utilizza impulsi più complessi che immettono una maggiore quantità di energia nel gas reagente e offrono agli operatori un maggiore controllo sul plasma. «Le reazioni chimiche possono avvenire senza dover riscaldare l’intero flusso di gas a temperature estremamente elevate, migliorando così l’efficienza energetica e quella del reattore», spiega Hauan.
Convalidare la strategia a doppio prodotto
Gli esperimenti fisici e la modellizzazione cinetica chimica, con cui sono state confrontate diverse configurazioni del plasma, hanno aiutato a selezionare le soluzioni più adatte alla produzione su larga scala. A ciò si sono aggiunti esperimenti di adsorbimento e simulazioni con setacci molecolari che hanno confermato l’efficacia delle tecnologie di separazione basate sul vuoto per separare l’idrogeno dal metano non reagito. In vista della commercializzazione, SEID ha condotto campagne a lungo termine, individuando una modalità operativa fondamentale che ha migliorato drasticamente l’efficienza energetica. Nel frattempo, sono state condotte anche valutazioni di sostenibilità ed economiche. «Queste hanno rivelato che la competitività della tecnologia dipende da quanto sia già “verde” l’elettricità di una regione, dal valore di mercato del carbonio solido prodotto e dal raggiungimento di specifiche soglie di conversione del metano», osserva Bjarte Kvingedal, responsabile tecnico.
Le soluzioni energetiche più pulite aprono la strada a nuove opportunità economiche
Le innovazioni di ColdSpark contribuiscono a numerose iniziative e obiettivi dell’UE; in particolare, alla strategia dell’UE sull’idrogeno e a REPowerEU(si apre in una nuova finestra), e più in generale al Green Deal(si apre in una nuova finestra), alla neutralità climatica, alla sicurezza energetica e all’economia circolare. «L’utilizzo del metano proveniente da fonti quali i rifiuti agricoli o urbani potrebbe ridurre la dipendenza dalle importazioni energetiche, mentre il carbonio solido ottenuto come sottoprodotto consentirebbe di creare catene di approvvigionamento più sostenibili», afferma Hauan. «Allo stesso tempo, le persone beneficerebbero di migliori condizioni ambientali e sanitarie, oltre che di nuove opportunità economiche, in particolare nelle zone rurali dove potrebbero essere implementati sistemi decentralizzati a idrogeno.» Tra le possibili applicazioni figurano la fornitura di idrogeno per la produzione di acciaio a basse emissioni di carbonio, l’industria chimica e petrolchimica, il supporto alle celle a combustibile per il trasporto pesante e lo stoccaggio di energia, nonché la fornitura di materiali in carbonio di alta qualità per batterie, compositi, materiali da costruzione, pneumatici ecc. Sono in corso attività di pianificazione per ulteriori progetti pilota volti a verificare le prestazioni in condizioni operative reali. Grazie a un reattore dal design modulare, potenzialmente in grado di integrarsi nelle infrastrutture esistenti per il gas naturale o il biometano, il team è ottimista riguardo a un rapido ingresso sul mercato.
