Come si produce l'idrogeno? parte 1° - Alla scoperta del combustibile del futuro

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L'idrogeno è l'elemento più semplice che possiamo trovare sulla terra. I suoi atomi infatti sono costituiti da un unico protone e un unico elettrone. Non a caso l’idrogeno è il primo elemento della tavola periodica.

Come molti potrebbero pensare l’idrogeno non è una fonte di energia, ma un VETTORE DI ENERGIA, poiché è in grado di accumulare e successivamente fornire energia. Come nel caso delle celle a combustibile, che generano energia elettrica utilizzando una reazione chimica di idrogeno, producendo come sottoprodotti solamente acqua, calore e soprattutto elettricità.

Sebbene l'idrogeno sia l'elemento più abbondante dell'universo, sulla Terra è prodotto utilizzando diverse risorse interne, inclusi i combustibili fossili, come gas naturali e il carbone, l’acqua, l’energia nucleare, e altre fonti di energia rinnovabile, come biomassa, eolica, solare, geotermica e idroelettrica, utilizzando un'ampia gamma di processi.

L'idrogeno può essere prodotto:
• Presso o vicino al sito di utilizzo;
• Presso grandi strutture e successivamente consegnato al punto di utilizzo;
• In strutture di scala intermedia situate in stretta prossimità (40-160 km) dal punto di utilizzo.

L'idrogeno può essere prodotto attraverso vari processi.
I PROCESSI TERMOCHIMICI utilizzano il calore e le reazioni chimiche per rilasciare idrogeno da materiali organici come combustibili fossili e biomasse.
L'acqua (H2O) può essere suddivisa in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) per mezzo di PROCESSI ELETTROLITICI o per mezzo dell'energia solare con PROCESSI FOTOLITICI.
Anche microrganismi come batteri e alghe possono produrre idrogeno attraverso PROCESSI BIOLOGICI.

Ma vediamo ora quali sono per ognuna di queste categorie di processi, le tecnologie più comuni per la produzione dell’idrogeno.


I PROCESSI TERMOCHIMICI, come suggerisce il nome, utilizzano il calore e le reazioni chimiche per estrarre l’idrogeno dalla struttura molecolare di: gas naturali, carbone, biomasse, o addirittura dall’acqua.

La REAZIONE DI REFORMING CON GAS NATURALE è il metodo più utilizzato al giorno d’oggi per la produzione di idrogeno. In questo tipo di reazione si utilizzano gli idrocarburi, come il metano.

Il gas naturale contiene metano (CH4) che può essere utilizzato per produrre idrogeno con processi termochimici, come il REFORMING CON VAPORE e l'OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO.

Nella REFORMING CON VAPORE (o "steam reforming"), il metano e altri idrocarburi reagiscono con il vapore ad alta temperatura e pressione, e grazie alla presenza di un catalizzatore la reazione chimica è accelerata.
I prodotti di reazione sono: idrogeno e monossido di carbonio. Il processo di reforming a vapore è endotermico, ovvero il calore deve essere fornito al processo affinché la reazione proceda, solitamente bruciando parte del metano.

REAZIONE DI REFORMING CON VAPORE
CH4 + H2O (+ calore) → CO + 3H2

Nell'OSSIDAZIONE PARZIALE invece, il metano reagisce con una quantità limitata di ossigeno che non è sufficiente per ossidare completamente gli idrocarburi in anidride carbonica e acqua. I prodotti di reazione sono sempre idrogeno e monossido di carbonio, ma come si può vedere nelle reazioni chimiche l’ossidazione parziale produce meno idrogeno con la stessa quantità di combustibile rispetto al REFORMING CON VAPORE. Però l'OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO è un processo esotermico, ovvero emette calore, per questo risulta molto più veloce del REFORMING CON VAPORE.

REAZIONE DI OSSIDAZIONE PARZIALE DEL METANO
CH4 + ½O2 → CO + 2H2 (+ calore)

Successivamente, in tutti e due questi processi, il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire con l’aiuto di un catalizzatore nella "REAZIONE DI SPOSTAMENTO DEL GAS D'ACQUA", per produrre anidride carbonica e altro idrogeno. Nella fase finale del processo, chiamata "adsorbimento a oscillazione di pressione", l'anidride carbonica viene rimossa ottenendo così idrogeno puro.

REAZIONE DI SPOSTAMENTO DEL GAS D'ACQUA
CO + H2O → CO2 + H2 (+ piccola quantità di calore)

Passiamo ai PROCESSI ELETTROLITICI, in cui si usa energia elettrica per sviluppare reazioni chimiche.

Possiamo citare il più comune, l'ELETTROLISI DELL’ACQUA, in cui si utilizza dell'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno.
Questo può essere un metodo sostenibile per la produzione di idrogeno, in quanto l'idrogeno prodotto può comportare zero emissioni di gas serra, se si utilizzano fonti energetiche rinnovabili durante l’elettrolisi.