Produzione di idrogeno - la produzione in sintesi.

Soprattutto se prodotto da elettricità generata da fonti rinnovabili, l'idrogeno è considerato uno dei vettori energetici del futuro, ma ad oggi altri metodi di produzione occupano ancora un posto importante su scala globale. A prescindere da quanto i metodi siano climaticamente neutri e dal colore con cui sia etichettato l'idrogeno dopo la produzione, le sue proprietà chimiche sono sempre le stesse.

I produttori di idrogeno possono utilizzare una serie di metodi di produzione su scala industriale. A seconda del processo produttivo e dell'energia utilizzata per la produzione, all'idrogeno vengono assegnati colori diversi che si riferiscono all'impatto climatico del particolare metodo di produzione.

L'idrogeno verde è prodotto mediante elettrolisi dell'acqua, utilizzando esclusivamente energia elettrica da fonti energetiche rinnovabili (come solare ed eolica). Indipendentemente dalla tecnologia di elettrolisi utilizzata, la produzione di idrogeno verde è completamente priva di carbonio. Il metodo di produzione è quindi climaticamente neutro.

L'idrogeno grigio è prodotto da combustibili fossili mediante reforming con vapore. La CO2 rilasciata nell'atmosfera durante il processo contribuisce all'effetto serra. La produzione di una tonnellata di idrogeno genera circa dieci tonnellate di CO2.

L'idrogeno blu viene prodotto allo stesso modo dell'idrogeno grigio. Tuttavia, la CO2 prodotta viene catturata e stoccata in modo permanente. Questa tecnologia è nota come Carbon Capture and Storage (Cattura e Stoccaggio del Carbonio - CCS). Con questa tecnologia la CO2 prodotta durante il reforming con vapore non entra nell'atmosfera, e quindi, questo metodo è neutro dal punto di vista climatico anche se gli effetti a lungo termine dello stoccaggio del carbonio sono ancora sconosciuti.

L'idrogeno turchese viene prodotto attraverso il cracking termico del metano (pirolisi del metano). Questo processo produce carbonio solido. Affinché l'idrogeno turchese sia ad emissioni zero, il calore fornito al reattore ad alta temperatura deve provenire da fonti di energia rinnovabile e il carbonio deve rimanere sequestrato in modo permanente.

In natura l'idrogeno si trova solo sotto forma di composti chimici, e deve quindi venire separato da materiali di origine ricchi di idrogeno utilizzando l'energia come catalizzatore. Questi materiali di partenza possono essere gas naturale e altri idrocarburi come petrolio greggio, biomassa, ma anche acqua e altri composti sempre contenenti idrogeno. L'energia elettrica, chimica o termica viene quindi utilizzata per separare i componenti di tali sostanze per ottenere idrogeno puro.

Il principio dell'elettrolisi è semplice. Applicando una tensione elettrica sull'elettrolizzatore, l'acqua (H2O) viene scissa nei suoi componenti: idrogeno (H2) e ossigeno (O). Ecco come funziona:

• Nella sua forma più elementare, un elettrolizzatore contiene un catodo (carica negativa), un anodo (carica positiva) e una membrana.
• L'intero sistema comprende anche pompe, valvole, serbatoi di stoccaggio, un alimentatore, un separatore e altri componenti.
• L'elettricità passa nell'anodo e nel catodo attraverso la membrana a scambio protonico (PEM), provocando la scissione dell'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno.
• Le molecole di idrogeno vengono catturate e raccolte.

L'idrogeno prodotto dall'elettrolisi può anche essere convertito in gas metano in una successiva fase di processo (CCU: Cattura e Utilizzo del Carbonio). Questo gas metano può essere immesso nella rete del gas e trasportato ai consumatori. In alternativa, può essere immagazzinato in impianti di stoccaggio del gas. La produzione di metano sintetico (SNG) genera acqua e calore come sottoprodotti.

Quasi la metà dell'idrogeno viene attualmente ancora prodotto utilizzando il metodo convenzionale del reforming con vapore del gas naturale. Questo metodo utilizza vapore per separare il gas naturale in idrogeno e anidride carbonica (CO2). La CO2 risultante può essere immagazzinata (CCS: Cattura e Stoccaggio del Carbonio) o utilizzata nei processi industriali a valle (CCU: Cattura e Utilizzo del Carbonio).

La pirolisi del metano è una tecnologia fondamentalmente nuova, che scinde il gas naturale o il biometano direttamente in idrogeno e carbonio solido in un reattore ad alta temperatura, e questo metodo richiede poca energia in confronto ad altri. Il carbonio risultante, che è legato nella sua forma solida, può quindi essere ulteriormente processato su scala industriale. Il processo può anche utilizzare la biomassa come materiale di partenza, e se la produzione avviene con elettricità da energie rinnovabili, non vengono prodotti gas serra.

Le tecnologie power-to-x sono strettamente associate al metodo di produzione dell'idrogeno. Queste tecnologie definiscono i concetti energetici che svolgeranno un ruolo sostenibile in futuro:

• I processi Power-to-x convertono elettricità, acqua e CO2 in altri prodotti.
• Il power-to-gas produce sostanze gassose come idrogeno o metano.
• Power-to-chem produce prodotti chimici per la lavorazione industriale.
• Power-to-fuel produce combustibili sintetici (i cosiddetti e-fuel).

La produzione di combustibili gassosi o liquidi si compone quindi di due filiere produttive: la produzione di idrogeno (power-to-gas) e la produzione di metano (power-to-liquid).

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