Produzione di idrogeno: come si produce l'idrogeno e che cos'è?

L'idrogeno sta diventando sempre più importante in quanto promettente vettore di energia pulita, soprattutto in vista di un futuro con minore impatto sul clima. Ma ti sei mai chiesto che cos'è l'idrogeno e come viene prodotto? In questo articolo analizziamo le nozioni di base e le tecnologie utilizzate per produrre l'idrogeno e cosa lo rende un elemento così speciale.

In poche parole, l'idrogeno è un gas incolore, inodore e insapore. È considerato l'elemento chimico più semplice e abbondante dell'universo. L'idrogeno è composto da piccole particelle, protoni ed elettroni.

È estremamente reattivo e può combinarsi con altri elementi per formare composti come l'acqua. Agisce come un potente combustibile e può essere utilizzato per generare elettricità, far funzionare i veicoli e generare calore. In quanto vettore di energia pulita, l'idrogeno ha il potenziale per ridurre l'impatto ambientale e contribuire a un approvvigionamento energetico sostenibile

Esistono diverse tecnologie per la produzione di idrogeno, che possono essere utilizzate a seconda dei requisiti specifici e delle risorse disponibili. Ecco alcuni metodi comuni:
 

• Riformazione del vapore del gas naturale: si tratta della tecnologia attualmente più utilizzata per la produzione di idrogeno. In questo processo il gas naturale, composto principalmente da metano, viene riscaldato con vapore acqueo in presenza di un catalizzatore. In senso figurato, la riformazione del vapore può essere considerata come la "scomposizione" del gas naturale.
  
  In questo processo il metano presente nel gas naturale reagisce con il vapore acqueo, producendo idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO). L'idrogeno ottenuto viene purificato e può essere utilizzato come combustibile nei veicoli, per generare elettricità nelle celle a combustibile o in varie applicazioni industriali. Questo processo è poco costoso, ma presenta anche degli svantaggi. Come sottoprodotto viene rilasciata anidride carbonica, che ha un impatto sull'ambiente.

• Elettrolisi dell'acqua: nell'elettrolisi, l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno con l'aiuto di una corrente elettrica. Per fare ciò, le apparecchiature chiamate elettrolizzatori eseguono il processo di elettrolisi.

• Produzione di idrogeno solare: con questo metodo l'energia solare viene utilizzata al posto di quella elettrica per realizzare il processo di elettrolisi. Ciò può avvenire sia attraverso la luce solare diretta sia concentrando la radiazione solare con l'aiuto di specchi o collettori solari. Questa nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata nei paesi in cui è disponibile una quantità sufficiente di sole e permettere di produrre idrogeno in modo particolarmente economico.

• Produzione termochimica di idrogeno (produzione biologica di idrogeno): alcuni microrganismi, come alcuni batteri o alghe, possono produrre idrogeno attraverso la fermentazione o la fotosintesi. Questo metodo è ancora in fase di sviluppo, ma ha un potenziale come fonte di idrogeno sostenibile ed ecologica. Tuttavia, lo svantaggio di questo tipo di produzione è la limitatezza delle risorse.

Va notato che non tutti i processi di produzione dell'idrogeno sono ugualmente sostenibili o hanno un impatto limitato sull'ambiente. La sostenibilità della produzione di idrogeno dipende dalla fonte energetica utilizzata e dalle emissioni di CO2 durante il processo di produzione. Per sfruttare al meglio i vantaggi dell'idrogeno come fonte di energia pulita, è molto importante utilizzare fonti di energia rinnovabili per la produzione di idrogeno.

L'utilizzo di energie rinnovabili come l'energia solare, l'energia eolica o l'energia idroelettrica può ridurre significativamente le emissioni di CO2 nella produzione di idrogeno, rendendola più sostenibile e duratura. L'idrogeno viene prodotto nel rispetto dell'ambiente. Questo è un passo importante per raggiungere un futuro a basse emissioni di carbonio e affrontare il cambiamento climatico.

L'elettrolisi è il processo più promettente. Il processo di elettrolisi consente di produrre idrogeno in modo ecologico, soprattutto se l'elettricità utilizzata proviene da fonti di energia rinnovabili. Queste tecnologie svolgono un ruolo importante nel consentire all'idrogeno pulito di emergere come vettore energetico sostenibile per diverse applicazioni. Abbiamo analizzato nel dettaglio le diverse tecnologie e analizzato i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna.

L'elettrolisi PEM, nota anche come elettrolisi tramite membrana a scambio protonico, scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando una membrana polimerica e una corrente elettrica.

Vantaggi:

• Avvio rapido e adattamento veloce ai carichi variabili
• Alta efficienza nel funzionamento a carico parziale
• Bassa temperatura di esercizio (50-80°C), per ridurre l'uso di materiali costosi
• Dimensioni compatte e facile integrazione nei sistemi esistenti
• Alto livello di maturità tecnologica (TRL 7-8)

Svantaggi:

• Sensibile alle impurità presenti nell'acqua, richiede un pretrattamento dell'acqua
• Vita di esercizio limitata delle celle a combustibile PEM (circa 10.000 ore di funzionamento)
• Costi più elevati rispetto all'elettrolisi alcalina

Nell'elettrolisi alcalina, l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno utilizzando un elettrolita alcalino, in genere una soluzione acquosa di idrossido di potassio.

Vantaggi:

• Costi ridotti rispetto all'elettrolisi PEM
• Resistente agli elementi contaminanti presenti nell'acqua
• Vita di esercizio prolungata delle celle a combustibile elettrolitiche (circa 40.000-80.000 ore di funzionamento)
• Massimo livello di maturità tecnologica (TRL 8-9)

Svantaggi:

• Velocità di reazione più lenta rispetto all'elettrolisi PEM
• Temperature di esercizio più elevate (70-100°C) comportano un maggiore consumo energetico
• Integrazione più difficile nei sistemi esistenti a causa dei diversi parametri di funzionamento

SOEC è l'acronimo di Solid Oxide Electrolysis Cell (cella elettrolitica a ossido solido) e si riferisce a una cella elettrolitica ad alta temperatura che converte l'acqua in idrogeno e ossigeno ad alte temperature e con ossidi solidi come elettrolita.

Vantaggi:

• Alta efficienza e recupero di calore grazie alle elevate temperature di esercizio (800-1.000°C)
• Flessibilità nell'utilizzo di diversi combustibili (ad esempio vapore, CO2)

Svantaggi:

• Le alte temperature di esercizio richiedono materiali costosi e un isolamento termico speciale
• Lento avvio e adattamento ai carichi variabili
• Dimensioni maggiori e integrazione di sistemi complessi
• Scarsa esperienza operativa su larga scala

AEM è l'acronimo di Anion Exchange Membrane (membrana a scambio anionico) e si riferisce a una tecnologia per l'elettrolisi che utilizza una membrana speciale che permette la permeabilità agli ioni con carica negativa e scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando la corrente elettrica.

Vantaggi:

• Costi ridotti rispetto all'elettrolisi PEM
• Resistente agli elementi contaminanti presenti nell'acqua
• Funzionamento a temperature inferiori (circa 60-80°C)

Svantaggi:

• Sviluppo e commercializzazione limitati rispetto alle opzioni PEM ed elettrolisi alcalina
• Potenziali sfide alla stabilità a lungo termine della membrana
• Non sono disponibili installazioni su larga scala. Ridotta maturità tecnologica.