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produzione di idrogeno

Cosa serve per produrre idrogeno e ammoniaca a basse emissioni?

5 maggio 2023 Area di lavoro: Carburanti a zero emissioni di carbonio

Oggi, l'80% della domanda finale di energia a livello mondiale è soddisfatta dai combustibili fossili, che quando vengono bruciati rilasciano nell'atmosfera anidride carbonica e altri inquinanti nocivi. L'elettrificazione e l'espansione dell'elettricità pulita svolgeranno un ruolo fondamentale nella decarbonizzazione della maggior parte di questa domanda, ma le restanti industrie difficili da elettrificare, tra cui la produzione di acciaio, il settore petrolchimico e il trasporto marittimo, avranno bisogno di sostituti a zero emissioni di carbonio per raggiungere la completa decarbonizzazione.  

In questi casi, i combustibili a zero emissioni come l'idrogeno o l'ammoniaca, che non contengono carbonio e non producono anidride carbonica quando vengono bruciati o utilizzati in una cella a combustibile, possono svolgere un ruolo prezioso nella decarbonizzazione dell'economia globale. 

L'industria odierna utilizza già l'idrogeno per la produzione di fertilizzanti, prodotti chimici e combustibili convenzionali. Infatti, gli Stati Uniti e l'Unione Europea (UE) producono rispettivamente 10 milioni di tonnellate all'anno (TPA) di idrogeno per questi scopi. Il problema? L'industria non genera questo idrogeno in modo vantaggioso per il clima. L'idrogeno odierno proviene per lo più dalla reazione del gas naturale con il vapore, un processo noto come steam reforming del metano, ed è responsabile di oltre 900 milioni di tonnellate di emissioni di carbonio all'anno. Il passaggio a metodi di produzione a basse emissioni è quindi una priorità assoluta. Possiamo farlo assicurandoci che il reforming del metano a vapore utilizzi la cattura e lo stoccaggio del carbonio (spesso indicato come idrogeno "blu") o utilizzando elettricità a basse emissioni di carbonio per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, un processo noto come elettrolisi (anch'esso spesso indicato come idrogeno "verde").  

Molti governi hanno riconosciuto la necessità di una maggiore quantità di idrogeno a basse emissioni e hanno annunciato piani per scalare rapidamente la produzione. Negli Stati Uniti, il Dipartimento dell'Energia (DOE) mira ad aumentare la produzione di idrogeno a basse emissioni da quasi zero oggi a 10 milioni di tonnellate all'anno (TPA) entro il 2030. L'UE ha annunciato obiettivi ancora più aggressivi, prevedendo di produrre 10 milioni di TPA di idrogeno a livello nazionale e di importare 10 milioni di TPA di idrogeno rinnovabile entro il 2030.  

Tuttavia, mentre il riconoscimento del potenziale di decarbonizzazione offerto dall'idrogeno a basse emissioni è in aumento, i requisiti materiali della produzione di idrogeno a basse emissioni, sia attraverso l'elettrolisi che attraverso il reforming del metano a vapore con cattura del carbonio, sono meno conosciuti. Per questo motivo CATF ha creato il Calcolatore della produzione di idrogeno, uno strumento interattivo che consente agli utenti di comprendere meglio le quantità di gas naturale, acqua ed elettricità necessarie per produrre diverse quantità di idrogeno, nonché i sottoprodotti di questi processi. Basta inserire la quantità di idrogeno desiderata e il calcolatore presenterà le quantità di risorse necessarie. 

Quindi, cosa occorre per produrre una determinata quantità di idrogeno a basse emissioni? Per rispondere a questa domanda, abbiamo messo al lavoro la nostra calcolatrice, qui di seguito: 

Idrogeno prodotto con gas naturale e cattura del carbonio (idrogeno "blu") 

Un tipico riformatore a vapore di metano - senza cattura del carbonio - produce circa 10.000 chilogrammi all'ora (kg/h) di idrogeno. Se inseriamo questa quantità di produzione nel calcolatore, vediamo che un riformatore a vapore di metano di dimensioni simili con cattura del carbonio consumerebbe 1800 MMBTU (530 MWh) di gas naturale all'ora, pari a circa il consumo di 230.000 abitazioni statunitensi in un'ora.1 L'impianto consumerebbe anche circa 200 galloni di acqua al minuto, pari a circa il consumo di 1000 abitazioni statunitensi al minuto.2 

Idrogeno prodotto dall'elettrolisi con elettricità rinnovabile (idrogeno "verde") 

Se inseriamo i 10.000 kg/ora di idrogeno prodotti da un tipico reformer a vapore di metano, scopriamo che un impianto di elettrolisi di dimensioni simili consumerebbe 530 MWh di elettricità ogni ora, ovvero circa quanto consumano 440.000 case statunitensi in un'ora.3 L'impianto di elettrolisi consumerebbe anche 440 galloni di acqua al minuto, ovvero circa quanto consumano 2.100 case statunitensi al minuto.2 

Punti di forza 

Che si utilizzi il reforming a vapore del metano con cattura del carbonio o l'elettrolisi, la produzione di idrogeno sarà un'impresa ad alta intensità di risorse. Questa considerazione diventa ancora più importante se si considera l'entità degli input necessari per soddisfare la domanda mondiale di idrogeno a basse emissioni.  

Per raggiungere l'obiettivo del DOE di 10 milioni di TPA, ad esempio, solo attraverso l'idrogeno prodotto con energia rinnovabile, sarebbero necessari almeno 60 GW di elettricità a basse emissioni di carbonio e di capacità di elettrolizzazione; questo numero è significativamente più alto se la fonte di elettricità pulita è di natura variabile (ad esempio, solare, eolica). Per mettere questo dato in prospettiva, nel 2020 gli Stati Uniti hanno installato 24,5 GW di nuovi impianti solari ed eolici. Nel 2021 la cifra è aumentata a 28,7 GW.  

Lo scenario descritto sopra, in cui il fabbisogno previsto di idrogeno è soddisfatto solo dall'idrogeno generato da fonti rinnovabili, potrebbe essere difficile da realizzare. Mentre la crescita delle energie rinnovabili sta accelerando a livello globale, la maggior parte della nuova capacità rinnovabile sarà dedicata alla decarbonizzazione della rete esistente.   

Fortunatamente, esiste una serie di potenziali tecnologie e strategie di diffusione che possono massimizzare il successo di un'economia dell'idrogeno a basse emissioni. Da un lato, l'energia pulita e sempre disponibile, nota anche come energia 24/7, come l'energia nucleare o l'energia geotermica da rocce calde, potrebbe contribuire ad aumentare il fattore di capacità per la produzione di idrogeno elettrolitico. Esiste anche più di un modo per produrre idrogeno a basse emissioni; l'idrogeno "blu" può aiutare a scalare la produzione insieme all'idrogeno "verde". Tuttavia, questa opzione non è priva di sfide che devono essere affrontate, in particolare la scalabilità dell'infrastruttura di cattura del carbonio necessaria per catturare, consegnare e sequestrare il carbonio e la garanzia di un rigoroso monitoraggio e abbattimento delle emissioni fuggitive per la fornitura di gas naturale a monte.  

Tutti i mezzi per la produzione di idrogeno a basse emissioni hanno i loro ostacoli e lo sviluppo del maggior numero possibile di queste opzioni garantirà al mondo l'accesso a una serie di strumenti climatici complementari che potranno essere impiegati e adattati a una varietà di aree geografiche, modelli di business, vincoli di risorse e condizioni climatiche.  


1 Si noti che il consumo varia a seconda che si usi l'elettricità al posto del gas naturale per usi finali comuni come il riscaldamento, la cucina e l'asciugatura dei vestiti. Utilizzando i dati dell'EIA, i calcoli di CATF mostrano che il consumo di gas naturale per cliente residenziale statunitense è stato di 5.392 piedi cubi standard al mese nel 2021. Si tratta di circa 5,63 milioni di unità termiche britanniche (MMBTU) o 1649 kilowattora (kWh) al mese.

2 L'acqua prontamente disponibile in un impianto può richiedere un trattamento aggiuntivo per soddisfare i severi requisiti di qualità per il reforming del metano a vapore o l'elettrolisi. Di conseguenza, il consumo effettivo di acqua grezza può variare a seconda della qualità disponibile. I calcoli sopra elencati presuppongono che l'acqua sia già trattata con la qualità richiesta e non includono considerazioni sull'acqua di raffreddamento per le apparecchiature ausiliarie. Secondo l'EPA, nel 2016 il consumo medio di acqua delle famiglie statunitensi è stato di 300 galloni (1136 litri) al giorno. Per ulteriori informazioni su come il consumo effettivo di acqua grezza possa variare a seconda della qualità disponibile, consultare la pagina web di GHD.

3 Si noti che il numero sopra riportato si riferisce all'elettricità consumata e non alla capacità di generazione necessaria per alimentare l'impianto di elettrolisi. La capacità di generazione necessaria dipende dalla frequenza con cui l'elettricità è disponibile durante il giorno, altrimenti nota come fattore di capacità. Il fattore di capacità varia per le diverse tecnologie di energia rinnovabile, in genere è del 10-20% per il solare fotovoltaico e del 30-50% per l'eolico offshore. Questo fattore può essere modificato nello strumento per dimostrare il valore di un'energia pulita e stabile disponibile 24 ore al giorno, 7 giorni su 7. I dati EIA mostrano che il consumo medio di elettricità delle famiglie è di 10.632 kWh/anno.

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