La produzione di idrogeno da energia solare - Idrogeno

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QUALCHE SPUNTO SU...

La produzione di idrogeno da energia solare


Intervista a Pietro Tarquini 

  Il team di ricerca che ha lavorato al processo di produzione di idrogeno dall'acqua mediante cicli termochimici alimentati da energia solare è stato premiato tra le "Eccellenze ENEA 2008"

Nei laboratori dell’Unità di Ricerca e Sviluppo del Progetto Solare Termodinamico del Centro ENEA Casaccia è stato sperimentato con successo un processo di produzione di idrogeno dall’acqua mediante il ciclo termochimico zolfo-iodio alimentato da energia solare. L’attività di ricerca e sviluppo ha obiettivi di medio e lungo tempo, ma ha consentito di individuare due possibili applicazioni molto più ravvicinate nel tempo: con la prima, l’idrogeno viene prodotto utilizzando in parte una fonte solare e in parte una fonte fossile; la seconda applicazione riguarda lo sviluppo di un processo di desolforazione, messo a punto modificando il ciclo zolfo-iodio, in grado di produrre idrogeno e acido solforico concentrato.

Ingegner Tarquini,  innanzitutto complimenti per il premio che il vostro gruppo ha ricevuto durante la prima edizione di “E2-Eccellenze ENEA” proprio per il vostro studio sulla produzione di idrogeno.
Grazie. E’ stato un bellissimo riconoscimento per un gruppo - Vincenzo Barbarossa, Giampaolo Caputo, Antonio Ceroli, Maurizio Diamanti, Paolo Favuzza, Claudio Felici, Alberto Giaconia, Roberto Grena, Michela Lanchi, Raffaele Liberatore, Pierpaolo Prosini, Alfonso Pozio, Giovanni Salvatore Sau, Annarita Spadoni, Silvano Tosti ed io - che ha lavorato sempre con tanto entusiasmo e tanta professionalità.
Guardi, non che non lo fossimo già, ma durante la premiazione ci siamo sentiti tutti orgogliosi di far parte di un Ente come ENEA che annovera grandi eccellenze della ricerca italiana.

Può spiegarci i risultati dello studio e le sue applicazioni?
Si tratta di realizzare la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno secondo un processo a più stadi, ovvero attraverso una sequenza di reazioni chimiche che generano e consumano ciclicamente gli stessi composti a spese di calore a temperature non superiori ai 900°C accessibili, e questo è importante con le tecnologie solari, in parte già disponibili ed in costante sviluppo, a differenza dei circa 3000°C necessari per la scissione termica diretta dell’acqua che pone dei problemi tecnologici molto ardui e di difficile soluzione.
Nel mondo della ricerca sono stati proposti negli anni decine di diversi cicli termochimici e attualmente l’ENEA, a valle di approfondite valutazioni teoriche e considerazioni pratiche, ha selezionato il ciclo zolfo-iodio ed il ciclo basato sulle ferriti di manganese per essere alimentati da energia solare. Aggiungo, inoltre, che è una scelta condivisa anche da altri Enti di ricerca internazionali.
Nell’ambito del progetto TEPSI, finanziato dal FISR (Fondo Integrativo Nazionale per la Ricerca), l’ENEA si propone di realizzare, per la prima volta in Europa, due impianti completi in scala da laboratorio per la dimostrazione della fattibilità scientifica dei cicli termochimici. In aggiunta è in fase di sviluppo un prototipo di ricevitore solare cui accoppiare i suddetti cicli.
Il ciclo termochimico“zolfo-iodio”si compone principalmente di tre reazioni, sommandole si ottiene, come bilancio netto, la scissione dell’acqua in ossigeno e idrogeno, che è di fatto l’unico reagente introdotto nel processo, mentre le altre sostanze rappresentano dei prodotti intermedi.
I cicli termochimici che utilizzano ossidi metallici per la scissione dell’acqua sono in linea di principio estremamente semplici: prevedono  una fase gassosa reagente con una o più fasi solide, pertanto il ciclo può essere realizzato con la sola movimentazione di fasi gassose. Il punto debole di questi cicli sono le elevate temperature (1100-1600°C). L’attività ENEA ha permesso di sviluppare, in questo caso,  materiali compositi costituiti da ferriti di manganese nanoparticellate e carbonato di sodio che hanno mostrato  reattività chimica a 750°C, valore di  temperatura estremamente interessante perché permette l’utilizzo di materiali convenzionali per l’impiantistica.

Perché concentrarsi sull’idrogeno?
Innanzitutto l’idrogeno è l’unico combustibile che può essere bruciato senza emissioni di anidride carbonica, monossido di carbonio, idrocarburi incombusti, polveri sottili, ecc. Inoltre, mediante l’utilizzo di fuel cell è in grado di produrre energia elettrica in maniera altamente efficiente e senza rilascio di altri composti inquinanti per l’ambiente come gli ossidi di azoto.
Questi benefici ambientali a livello locale hanno fatto moltiplicare i progetti, nazionali ed internazionali, volti a dimostrare la fattibilità dell’impiego dell’idrogeno come possibile vettore energetico.
L’idrogeno viene attualmente prodotto per usi industriali a partire da combustibili fossili, principalmente da reforming del gas naturale, ma anche da petrolio e carbone, con una emissione associata di anidride carbonica. E’ possibile però ottenerlo anche a partire da acqua e da fonti energetiche rinnovabili, la cui disponibilità è praticamente illimitata, in particolare per l’energia solare, e svincolata dagli idrocarburi ed è in quest’ottica che si sono rivolti i nostri sforzi.
Nel nostro caso, quindi, la “filiera” idrogeno, dalla produzione all’utilizzo, sarebbe completamente rinnovabile, a zero emissioni di gas serra.

Ma per produrre idrogeno si ricorre già all’elettrolisi
L’elettrolisi è un processo ben consolidato, alimentato da energia elettrica. Anche in questo caso si possono migliorare i rendimenti di conversione  e ridurre i costi. Ma resta comunque il problema della necessità dell’energia elettrica, altro prezioso vettore energetico, che non risolverebbe in via definitiva il problema dell’uso delle fonti  fossili, visto che nella maggior parte dei casi, e soprattutto in Italia, l’energia elettrica viene prodotta da centrali termoelettriche.

Ha accennato più volte ai costi ed in effetti in molti sostengono che siano troppo elevati. Secondo lei quali sono le prospettive future?
Da molte parti si evidenzia come l’idrogeno, che di per sé è un vettore energetico e non una fonte primaria di energia, sia attualmente ottenuto con costi accettabili solo nel caso di conversione dagli stessi idrocarburi. Difatti vari studi, tra i quali anche quelli fatti dall’ENEA, concordano sul fatto che il costo dell’idrogeno termochimico-solare attualmente si aggirerebbe intorno ai 4-6 $/kg, pari a circa 4/6 volte il costo dell’idrogeno prodotto da tecnologie già mature e consolidate come lo steam reforming del gas naturale (0.78-1.38 $/kg).
Tuttavia in un futuro non troppo remoto (presumibilmente entro il 2030) si assisterà ad un’inversione dei prezzi a favore dell’idrogeno termochimico-solare. Questo perché da una parte il costo dei combustibili convenzionali è destinato, molto probabilmente, a crescere negli anni a venire, anche a causa dell’eventuale sovrapprezzo associato alla sequestrazione e al confinamento stabile dell’anidride carbonica come contromisura all’emissione dei gas serra.
Dall’altra, il costo dell’idrogeno dall’idrolisi termochimica è destinato a ridursi considerevolmente nei prossimi anni grazie alla maturazione e alla diffusione della tecnologia solare su larga scala con un conseguente abbattimento dei costi. Attualmente rappresenta circa i 2/3 dell’intero costo.
Comunque, se la contabilità dei costi associati all’uso di un qualsiasi carburante tenesse conto anche dei suoi effetti sulla salute e sull’ambiente, soprattutto nei grandi centri urbani, nei quali già vive la metà della popolazione mondiale,l’idrogeno da cicli termochimici potrebbe già essere ritenuto economicamente vantaggioso.

Si tratta, però, di risultati a lungo termine mentre nell’immediato esistono già delle risposte possibili?
In attesa della produzione di idrogeno interamente dall’acqua e dal sole, per il breve termine è realistico pensare a processi ibridi, alimentati contemporaneamente dall’energia solare e dalla fonte fossile.
Questa soluzione permette di svincolare la parte del processo a più alta temperatura (850°C) dalla tecnologia solare del ricevitore a torre, che ancora è in fase di sviluppo, fornendo calore con un convenzionale forno a metano o a biomassa. Questa soluzione è già un brevetto ENEA. Inoltre la stessa Commissione Europea ha individuato una road-map per la ricerca sull’idrogeno nei prossimi decenni, in cui nella prima fase, è previsto lo sviluppo di processi ibridi.
Un’altra interessante applicazione del ciclo zolfo-iodio che può dare un contributo ai metodi di desolforazione di combustibili fossili contenenti zolfo, è stata recentemente brevettata dai ricercatori dell’ENEA che si occupano della produzione di idrogeno da fonti rinnovabili, Sostanze inquinanti quali i composti solforati sono  presenti nei reflui gassosi di impianti termoelettrici e delle raffinerie e devono essere trattati per rispettare i limiti delle emissioni fissate dalla normativa ambientale. L’uso di combustibili di minor pregio, ovvero ad alto contenuto di zolfo, è destinato ad aumentare nei prossimi decenni per la limitatezza delle risorse e l’aumento della domanda globale di energia: un esempio è il carbone del Sulcis, con tenore di zolfo che può arrivare al 6-8%.
Attualmente l’anidride solforosa proveniente dalla combustione dei composti solforati presenti nei combustibili fossili comporta la necessità di costosi impianti di abbattimento che generalmente consumano calcare e producono notevoli quantità di gesso il cui smaltimento risulta in molti casi problematico e costoso. Con la tecnologia sviluppata e brevettata dall’ENEA i  prodotti che saranno ottenuti da questo nuovo processo di desolforazione, sono  idrogeno e acido solforico concentrato.
Il processo consente pertanto di soddisfare due tra le più importanti esigenze dell’industria chimica ed energetica in campo ambientale: contenere in modo quantitativo le emissioni di gas inquinanti e produrre idrogeno puro, il quale verrà utilizzato come reagente chimico o vettore energetico. Un altro prodotto che si ottiene è acido solforico concentrato ad elevato grado di purezza, un prodotto facilmente stoccabile e di discreto valore commerciale. Il costo di produzione dell’idrogeno da una valutazione  preliminare potrebbe essere  estremamente  competitivo.

Rispettare l’Ambiente, favorire la Ricerca o sviluppare l’Economia di un Paese sembrano attività inconciliabili. Invece lo studio sull’idrogeno e le sue applicazioni possono contribuire alla tutela ambientale e alla crescita e allo sviluppo del Sistema Paese?
L’“economia all’idrogeno” può rappresentare una risposta efficace sia alla problematica ambientale, sia alla problematica dell’accesso alle risorse energetiche.
I cicli termochimici per la produzione di idrogeno che fanno uso di acqua come materia prima alimentati da energia solare possono dare un notevole  contributo al gravoso problema dell’approvvigionamento energetico del Paese. La dipendenza energetica italiana è tra le più elevate del mondo, la riduzione delle importazioni energetiche e la diversificazione delle fonti di approvvigionamento rimane una questione strategica importante. La fonte solare è inesauribile, l’installazione di impianti solari nel territorio italiano può costituire una valida fonte di integrazione energetica con un enorme potenziale da sfruttare soprattutto nelle aree desertiche del Nord Africa. I cicli termochimici possono costituire un metodo molto efficiente per produrre idrogeno dall’acqua, necessitano però di un intenso e costante  lavoro di ricerca e sviluppo che consenta di portare la tecnologia  dalla fase di laboratorio a quella industriale.
Ci troviamo di fronte ad un’importantissima sfida riguardante l’approvvigionamento di energia e la soluzione di problemi geopolitici ed ambientali, che diventeranno  cruciali nei decenni a venire.
Utilizzare le risorse rinnovabili, ampiamente disponibili in Italia, per produrre idrogeno “pulito” e/o elettricità da integrare alle fonti fossili è un passaggio più che obbligato.
Basti pensare che questo tipo di studi a lungo termine sulla produzione di idrogeno sono oggetto di interesse da parte dei maggiori centri di ricerca del mondo (General Atomic e Sandia negli USA, CEA in Francia, CIEMAT in Spagna, DLR in Germania, JAEA in Giappone, KAERI in Corea, ENEA in Italia, ecc.). Non dedicare la giusta attenzione a questi processi che sono allo stesso tempo fattibili, ecologici e, potenzialmente, anche economici, potrebbe rivelarsi una grossa opportunità persa per la politica energetica di qualsiasi paese, ed in particolare per l’Italia. E’ una nuova frontiera del mercato dell’energia che si sta aprendo e se l’Italia saprà investire le sue energie nello sviluppo della ricerca e della tecnologia adeguate potrà interpretare un ruolo da vero protagonista con ripercussioni benefiche su tutta l’economia nazionale. L’ENEA, dal canto suo, si è già attrezzato per intraprendere questa strada da protagonista.

 

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