Metodi di produzione di idrogeno in alternativa all’elettrolisi
L’idrogeno è considerato un vettore energetico chiave per la transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio. Attualmente l’elettrolisi dell’acqua, alimentata da energie rinnovabili, è considerata la forma più sostenibile per produrre idrogeno. Tuttavia sono in studio e sviluppo alternative tecnologie che potrebbero ridurre i costi ed espandere la produzione di questo vettore energetico.
La gassificazione del carbone, la pirolisi e la fermentazione della biomassa, la fotolisi dell’acqua utilizzando l’energia solare stanno emergendo come possibili complementi e alternative all’elettrolisi, sebbene presentino ancora svantaggi in termini di efficienza, costi ed emissioni di carbonio.
Comprendere i vantaggi e gli svantaggi di queste alternative, come la gassificazione del carbone, la produzione da biomasse o la fotosintesi artificiale, è fondamentale per valutare il loro potenziale ruolo nella futura produzione di idrogeno su scala industriale. Se opportunamente sviluppate e ottimizzate, queste tecnologie potrebbero contribuire a decarbonizzare settori difficili da elettrificare come l’industria pesante e i trasporti.
Gassificazione del carbone
L’idrogeno può essere prodotto dal carbone attraverso processo di gassificazione, un metodo in cui il carbone viene riscaldato con vapore ad alta temperatura per ottenere gas di sintesi, contenente monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2). Il CO viene quindi reagito con vapore per produrre ulteriore idrogeno e anidride carbonica (CO2).
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della gassificazione del carbone rispetto all’elettrolisi?
I vantaggi e gli svantaggi della gassificazione del carbone rispetto all’elettrolisi sono:
Vantaggi della gassificazione del carbone:
- Maggiore efficienza energetica. La gassificazione del carbone per produrre idrogeno ha un’efficienza energetica del 65-75%, più alta rispetto all’elettrolisi (~70%)
- Costi più bassi. Il costo di produzione dell’idrogeno con la gassificazione del carbone è più basso rispetto all’elettrolisi, soprattutto se si utilizza carbone a basso costo
Svantaggi della gassificazione del carbone:
- Maggiori emissioni di CO2. Il processo produce elevate emissioni di anidride carbonica rispetto all’elettrolisi alimentata con energie rinnovabili
- Altre emissioni inquinanti. Il processo libera anche altre sostanze inquinanti come ossidi di azoto e zolfo
- Maggior complessità. L’impianto di gassificazione è più complesso da realizzare e gestire rispetto ad un elettrolizzatore
- Dipendenza dalle fonti fossili. Il processo è dipendente dall’utilizzo del carbone come materia prima
In sintesi, la gassificazione del carbone per produrre idrogeno presenta alcuni vantaggi economici, ma anche significativi svantaggi ambientali rispetto all’elettrolisi alimentata da fonti rinnovabili.
Produzione da biomasse
L’idrogeno può essere prodotto da vari tipi di biomasse, come residui agricoli e forestali, attraverso processi di gassificazione o fermentazione. La gassificazione della biomassa produce gas di sintesi simile a quello ottenuto con il carbone, mentre la fermentazione di materiali organici permette la produzione di idrogeno da batteri anaerobici.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della produzione di idrogeno da biomasse
I vantaggi e gli svantaggi della produzione di idrogeno da biomasse sono:
Vantaggi:
- Basso impatto ambientale. Le biomasse sono una fonte rinnovabile e a basso contenuto di carbonio, quindi la produzione di idrogeno da biomasse è a minor impatto ambientale rispetto ai combustibili fossili
- Utilizzo di scarti. Si possono utilizzare residui e scarti dell’agricoltura e della forestazione come materia prima
- Ciclo a chiusura. L’anidride carbonica emessa durante la produzione di idrogeno può essere assorbita dalla crescita delle biomasse
Svantaggi:
- Bassa disponibilità. La disponibilità di biomasse è limitata e stagionale
- Alti costi. I costi di produzione sono più alti rispetto ad altre tecnologie come la gassificazione del carbone
- Utilizzo di terreni. L’aumento della produzione di biomasse per scopi energetici richiede una maggiore disponibilità di terreni agricoli
- Processi complessi. I processi di produzione di idrogeno da biomasse (gassificazione e fermentazione) sono più complessi rispetto ad altre tecnologie
In sintesi la produzione di idrogeno da biomasse è una tecnologia sostenibile per l’ambiente ma, al momento, economicamente svantaggiosa a causa dei costi elevati e della limitata disponibilità di materie prime. Ulteriori sviluppi potrebbero migliorare le prestazioni e la convenienza economica di questa alternativa.
Alternative in fase di studio
La pirolisi
La pirolisi, ossia la scissione termica di biomasse senza ossigeno, sta diventando una interessante alternativa per produrre idrogeno da materie prime rinnovabili con basse emissioni di carbonio.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della produzione di idrogeno tramite pirolisi
I vantaggi e gli svantaggi della produzione di idrogeno tramite pirolisi sono:
Vantaggi:
- Bassa emissione di carbonio. Il processo produce bassi livelli di CO2 grazie alla natura rinnovabile delle biomasse e alla decomposizione termica ad alta temperatura in assenza di ossigeno.
- Utilizzo di vari tipi di biomasse. Si possono usare diversi tipi di materie prime, come residui agricoli e forestali, colture energetiche e rifiuti organici.
- Produzione di bio-oli. Il processo produce anche bio-oli che possono essere usati come carburanti o materie prime per la chimica.
Svantaggi:
- Rendimento energetico. Il rendimento energetico della conversione di biomasse in idrogeno tramite pirolisi è più basso rispetto ad altre tecnologie.
- Costi elevati. I costi di investimento e gestione degli impianti sono ancora relativamente alti.
- Trattamento dei prodotti. Richiede un accurato trattamento dei prodotti della pirolisi, come i bio-oli e i biochar, per separare e purificare l’idrogeno.
- Scalabilità. La tecnologia è ancora in fase di sviluppo e poco scalabile a livelli industriali.
In sintesi, sebbene la pirolisi delle biomasse per la produzione di idrogeno abbia il vantaggio di basse emissioni di carbonio, al momento i suoi svantaggi sono relativi a costi ancora elevati, bassa efficienza e complessità del processo. Ulteriori sviluppi tecnologici potrebbero però migliorare le prestazioni ed espandere le applicazioni industriali.
La fotosintesi
Sono anche in corso studi sulla fotosintesi artificiale per produrre idrogeno utilizzando l’energia solare e materie prime facilmente reperibili come l’acqua e l’anidride carbonica.
I vantaggi e gli svantaggi della produzione di idrogeno tramite fotosintesi sono:
Vantaggi:
- Bassissime emissioni di carbonio. Il processo è alimentato da energia solare ed utilizza l’anidride carbonica atmosferica, quindi ha un’impronta di carbonio prossima allo zero.
- Utilizzo di materie prime abbondanti. Il processo utilizza acqua e anidride carbonica, risorse praticamente illimitate.
- Efficienza teorica molto alta. La fotosintesi solare ha un’efficienza teorica massima di circa il 12%, superiore a quasi tutte le altre tecnologie per la produzione di idrogeno.
- Compatibile con le energie rinnovabili. La produzione foto-supportata di idrogeno può contribuire allo stoccaggio dell’energia solare ed eolica.
Svantaggi:
- Bassa efficienza pratica. L’efficienza pratica di conversione di energia solare in idrogeno attraverso la fotosintesi artificiale è ancora relativamente bassa, intorno all’1%.
- Costi elevati. Attualmente i costi di produzione sono alti a causa della complessità dei sistemi fotochimici e fotoelettrici coinvolti.
- Scalabilità limitata. La tecnologia è ancora ad uno stadio di sviluppo precoce e poco scalabile su livelli industriali.
- Durata limitata. I sistemi fotochimici hanno una vita utile relativamente breve prima di degradarsi.
In sintesi, nonostante i potenziali vantaggi legati alle basse emissioni e all’uso di risorse abbondanti, la produzione di idrogeno tramite fotosintesi artificiale soffre ancora di costi elevati, bassa efficienza ed altri fattori che ne limitano l’implementazione industriale. Ulteriori sviluppi tecnologici potrebbero migliorare queste performance.
Cosa si intende per “sistemi fotochimici” e “sistemi fotoelettrici”?
I sistemi fotochimici e fotoelettrici si riferiscono a due distinti approcci per realizzare la fotosintesi artificiale e produrre idrogeno utilizzando l’energia solare:
- Sistemi fotochimici: sono basati sull’utilizzo di catalizzatori organici o inorganici sensibili alla luce. Questi catalizzatori, quando esposti alla radiazione solare, generano opportune reazioni chimiche che producono idrogeno dall’acqua. I sistemi fotochimici sono quelli che più si ispirano alla fotosintesi naturale clorofilliana.
- Sistemi fotoelettrici: utilizzano semiconduttori fotosensibili che, esposti alla luce solare, generano corrente elettrica. Questa corrente viene poi usata per alimentare elettrolizzatori in grado di scindere molecole d’acqua e produrre idrogeno e ossigeno.
In entrambi i casi, l’energia solare viene sfruttata per attivare reazioni chimiche o processi elettrochimici che portano alla produzione di idrogeno.
I sistemi fotochimici sono potenzialmente più efficienti ma anche più complessi da ottimizzare e stabilizzare nel tempo, dato che si basano su catalizzatori organici. I sistemi fotoelettrici sono invece più facili da ingegnerizzare e scalare ma spesso meno efficienti.
La ricerca attuale sta esplorando approcci ibridi per sfruttare i vantaggi di entrambe le categorie di sistemi.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi degli approcci ibridi?
Gli approcci ibridi che combinano sistemi fotochimici e fotoelettrici per la produzione di idrogeno tramite fotosintesi artificiale hanno potenzialmente i seguenti vantaggi e svantaggi:
Vantaggi:
- Maggiore efficienza. L’unione dei due approcci può portare a sistemi più efficienti, sfruttando le caratteristiche specifiche di ciascuna tecnologia.
- Scalabilità. Gli approcci ibridi possono combinare la scalabilità dei sistemi fotoelettrici con l’elevata efficienza dei sistemi fotochimici.
- Utilizzo di catalizzatori stabili. Possono incorporare catalizzatori organici o inorganici più stabili nel tempo rispetto ai catalizzatori puramente organici dei sistemi fotochimici.
Svantaggi:
- Maggiore complessità. Gli approcci ibridi comportano una maggiore complessità ingegneristica e costi più alti.
- Interfacce complesse. Richiedono l’integrazione tra componenti fotoelettriche e fotochimiche tramite interfacce complesse.
- Ottimizzazione difficile. È difficile ottimizzare il sistema nel suo complesso per sfruttare al meglio le sinergie.
- Rischio deterioramento. L’interazione tra i diversi componenti può accelerare il loro deterioramento nel tempo.
Ecco alcune altre informazioni riguardanti le alternative per la produzione di idrogeno
- La scissione fotochimica dell’acqua è ancora agli inizi della ricerca e dello sviluppo. Sebbene i potenziali guadagni di efficienza siano significativi, le efficienze pratiche rimangono molto basse per ora.
- Sono necessari catalysti con materiali più stabili e abbondanti in natura che possano resistere alle condizioni estreme della scissione dell’acqua alimentata dal sole mantenendo un’alta attività. Questa è un’area attiva di ricerca.
- Gli approcci ibridi fotoelettrico-fotochimici mirano a combinare la stabilità dei sistemi fotoelettrici con l’efficienza superiore della fotochimica molecolare. Tuttavia, permangono ancora delle sfide nell’interfacciare questi due tipi di sistemi.
- La pirolisi della biomassa per la produzione di idrogeno ha il vantaggio di utilizzare fonti rinnovabili di carbonio, ma le efficienze energetiche rimangono ancora relativamente basse. Ulteriori progressi tecnologici potrebbero migliorare il processo.
- La gassificazione del carbone produce idrogeno a costi inferiori rispetto all’elettrolisi, ma ha emissioni di anidride carbonica molto più elevate. Sarebbero necessarie tecnologie di cattura del carbonio per renderla sostenibile.
- Nel complesso, le alternative all’elettrolisi sono ancora agli inizi della commercializzazione. Sono necessarie ricerche e miglioramenti tecnologici significativi per renderle economicamente convenienti su larga scala.
- Non esiste una soluzione “universale” per la produzione di idrogeno. Sarà probabilmente necessario un portfolio diversificato di tecnologie per soddisfare la crescente domanda di idrogeno in modo sostenibile. Ciò include il continuo miglioramento dell’elettrolisi basata su energie rinnovabili.
