Calcolatore della produzione di idrogeno
L'idrogeno può svolgere un ruolo fondamentale come combustibile a zero emissioni di carbonio che può contribuire alla decarbonizzazione di settori dell'economia globale difficili da elettrificare. È anche una materia prima industriale fondamentale per la produzione di fertilizzanti e prodotti chimici e per la produzione di carburanti convenzionali nella raffinazione. I metodi convenzionali di produzione dell'idrogeno, tuttavia, sono ad alta intensità di carbonio e l'attuale produzione globale è responsabile di quasi 900 milioni di tonnellate di emissioni di carbonio all'anno.
Esistono vari modi per generare idrogeno a basse emissioni, ognuno con i suoi vantaggi e sottoprodotti. Due dei percorsi principali per produrre idrogeno a basse emissioni sono: 1) l'elettrolisi che utilizza elettricità a basse emissioni di carbonio (l'idrogeno elettrolitico prodotto in questo modo utilizzando energia rinnovabile viene definito idrogeno "verde" o "rinnovabile") e 2) il reforming del metano a vapore con capacità di cattura e stoccaggio del carbonio installate e rigorosi controlli del metano a monte (spesso definito idrogeno "blu").
CATFIl calcolatore per la produzione di idrogeno consente agli utenti di comprendere meglio il profilo delle risorse di questi percorsi, mostrando le quantità di gas naturale, acqua ed elettricità necessarie per produrre diversi volumi di idrogeno attraverso il reforming a vapore del metano con cattura e stoccaggio del carbonio o l'elettrolisi. Gli utenti possono anche conoscere l'azoto e l'idrogeno necessari per produrre ammoniaca, un componente chiave della produzione di fertilizzanti e un promettente combustibile a zero emissioni di carbonio per decarbonizzare il trasporto marittimo.
Come utilizzare la calcolatrice:
Per utilizzare questo strumento, inserire un determinato volume di idrogeno per il percorso di generazione desiderato. Per l'elettrolisi, è possibile anche regolare il fattore di capacità per l'energia elettrica immessa. Lo strumento calcolerà gli input necessari per il corrispondente volume di idrogeno, nonché le emissioni e i sottoprodotti associati a ciascun processo. Per utilizzare il calcolatore della produzione di ammoniaca, è sufficiente inserire il volume di idrogeno disponibile.
Si noti che questo strumento tiene conto solo degli impatti a livello di impianto e non è uno strumento di analisi del ciclo di vita.
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Low Carbon/Blue Hydrogen – Steam Methane Reforming with Carbon Capture and Storage
Quadri di riferimento per l'idrogeno prodotto con gas naturale e cattura e stoccaggio del carbonio (idrogeno "blu")
La maggior parte dell'idrogeno prodotto oggi avviene tramite steam reforming del metano senza tecnologie di cattura del carbonio installate. Un tipico impianto di steam reforming del metano (SMR) produce circa 10.000 kg/ora di idrogeno, come utile quadro di riferimento. Un riformatore a vapore di metano di dimensioni simili, abbinato alla tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio, consumerebbe circa 1.800 MMBTU (530 MWh) di gas naturale all'ora, pari a circa il consumo di 230.000 abitazioni statunitensi in un'ora.⁵ L'impianto consumerebbe anche circa 200 galloni (780 litri) d'acqua al minuto, pari a circa il consumo di 1.000 abitazioni statunitensi al minuto.⁶
Note
- Le prestazioni dell'impianto si basano sui dati del rapporto tecnico IEAGHG - 2017-02 febbraio 2017 "Techno-Economic Evaluation of SMR Based Standalone (Merchant) Hydrogen Plant with CCS".
- Il tasso di cattura del carbonio per questo impianto è del 90%. Tassi di cattura superiori al 90% sono possibili con altre configurazioni di impianti, come quelli che utilizzano tecnologie di reforming autotermico (ATR).
- Le densità normali sono calcolate alla temperatura normale di 0oC e alla pressione normale di 1 atm o 101,325 kPa.
- L'impianto ha un fattore di disponibilità del 100% che implica 365 giorni operativi all'anno. I fattori di disponibilità tipici sono più vicini al 97%.
- Si noti che il consumo varia a seconda che si utilizzi 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 indicano che il consumo di gas naturale per cliente residenziale statunitense sarà di 5.392 piedi cubi standard al mese nel 2021. Si tratta di circa 5,63 milioni di unità termiche britanniche o 1649 kilowattora al mese. Visualizza la fonte
- L'acqua prontamente disponibile in un impianto può richiedere un trattamento aggiuntivo per soddisfare i severi requisiti di qualità per il reforming a vapore del metano 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 era di 300 galloni (1136 litri) al giorno. Visualizza la fonte. Per ulteriori informazioni su come il consumo effettivo di acqua grezza possa variare a seconda della qualità disponibile, consultare la pagina web di GHD.
Electrolytic Hydrogen – Electrolysis
Quadri di riferimento per l'idrogeno prodotto dall'elettrolisi (idrogeno "elettrolitico")
Rispetto a un tipico SMR che produce circa 10.000 kg/ora di idrogeno, un impianto di elettrolisi di dimensioni simili consumerebbe 530 MWh di elettricità ogni ora, circa quanto consumano 440.000 case statunitensi in un'ora.⁶ L'impianto di elettrolisi consumerebbe anche circa 440 galloni (~1700 litri) di acqua al minuto, circa quanto consumano 2.100 case statunitensi ogni minuto.⁷
Note
- La domanda di elettricità dell'elettrolizzatore è tratta dal rapporto del Franhofer Institute for Solar Energy Sytems - "Previsione dei costi per l'elettrolisi a bassa temperatura - prognosi bottom-up guidata dalla tecnologia per i sistemi PEM e di elettrolisi dell'acqua alcalina".
- Fabbisogno di acqua per l'elettrolisi dagli elettrolizzatori Nel (2020) serie C, S e H, una parte della quale viene persa per evaporazione ed è intrappolata nei gas di idrogeno e ossigeno.
- Per questa configurazione si ipotizza un rapporto 1:1 tra capacità rinnovabile e capacità dell'elettrolizzatore.
- La produzione di idrogeno dall'elettrolisi è tanto più conveniente quanto maggiore è il fattore di capacità
- Per ulteriori informazioni sui fattori di capacità delle tecnologie energetiche su scala industriale, consultare la pagina web del NREL.
- 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(fonte). Questo fattore può essere modificato nello strumento per dimostrare il valore di avere energia pulita e stabile disponibile 24 ore su 24, 7 giorni su 7. I dati EIA mostrano che il consumo medio di elettricità delle famiglie è di 10632 kWh/anno. Visualizza la fonte.
- L'acqua prontamente disponibile in un impianto può richiedere un trattamento aggiuntivo per soddisfare i severi requisiti di qualità per il reforming a vapore del metano 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, il consumo medio di acqua delle famiglie statunitensi è stato di 300 galloni (1136 litri) al giorno nel 2016(fonte). Per ulteriori informazioni su come il consumo effettivo di acqua grezza possa variare a seconda della qualità disponibile, consultare la pagina web di GHD.
Ammonia Production
Note
- Produzione potenziale di ammoniaca basata sulla conversione al 100% dell'idrogeno
- Le densità normali sono calcolate alla temperatura normale di 0oC e alla pressione normale di 1 atm o 101,325 kPa.
- L'impianto ha un fattore di disponibilità del 100% che implica 365 giorni operativi all'anno. I fattori di disponibilità tipici sono più vicini al 97%.
Descrizioni delle unità
| Unità | Descrizione |
|---|---|
| kg/ora | chilogrammi all'ora |
| MMBTU/ora (HHV) | milioni di unità termiche britanniche all'ora (potere calorifico superiore) |
| TPA | tonnellate all'anno |
| lb/h | libbre all'ora |
| MMSCFD | milioni di piedi cubi standard al giorno |
| Nm3/h | metri cubi normali all'ora |
| GPM | galloni al minuto |
| TWh/anno | terawattora all'anno |
| MW | megawatt |
| GW | gigawatt |
Quadro di riferimento dell'idrogeno
Per avere un quadro di riferimento utile, un chilogrammo di idrogeno ha circa lo stesso contenuto energetico di un gallone di benzina, di 0,9 galloni di diesel e di un gallone di jet fuel A1, se confrontato sulla base del potere calorifico inferiore.
