IDROGENO

Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003----2004200420042004

Produzione dell’Idrogeno

BiomasseBiomasseBiomasseBiomasse CarboneCarboneCarboneCarbone Idrocarburi leggeriIdrocarburi leggeriIdrocarburi leggeriIdrocarburi leggeri HHHH2222OOOO

IdrogenoIdrogenoIdrogenoIdrogeno

Processi di GassificazioneProcessi di GassificazioneProcessi di GassificazioneProcessi di Gassificazione Steam reformingSteam reformingSteam reformingSteam reforming Energia elettricaEnergia elettricaEnergia elettricaEnergia elettrica

Reazioni di gassificazione e shift

Nel caso si voglia ottenere idrogeno partendo da carbon fossile le reazioni chimiche associate sono le seguenti:

COHOHC +→+22

gassificazione

222COHOHCO +→+ shift

Esistono diverse tipologie di gassificatori: a letto mobile (450 ÷500°C), a letto fluido (800 ÷ 1000°C), a letto trascinato (1200 ÷1400°C). A valle del gassificatore è sempre presente una sezione di purificazione del combustibile.

Reazioni di steam reforming e shift

Nel caso di idrocarburi leggeri l’idrogeno è prodotto mediante la reazione di steam reforming, che consiste nella conversione catalitica con vapore d’acqua in presenza di catalizzatore (normalmente a base di Nichel o di ossidi di Magnesio).

22 )2/( HnmnCOOnHHC mn ++→+

222 nHnCOOnHnCO +→+

reforming

La reazione di steam reforming avviene attorno ad una temperatura di 800°C; a seguito della reazione in oggetto si ha sempre quella di shift che permette la conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica.

shift

Reazione di ossidazione parziale

In questo processo il combustibile viene fatto reagire con l’ossigeno dell’aria (la reazione può avvenire sia in presenza che in assenza di catalizzatore). Per esempio nel caso si parta da metanolo:

222322/1 COHOOHCH +→+

Nel caso di benzina la reazione è la seguente:

222218881784 COHOHOHC +→++

Nel caso si ricorra all’ossidazione parziale non è necessaria la reazione di riconversione del CO, caratteristica nei processi di gassificazione e steam reforming.

Produzione per via elettrolitica

L’Idrogeno gassoso può essere ottenuto anche per via

elettrolitica scindendo la molecola dell’acqua nei suoi due

costituenti. Visto il “pregio” dell’energia elettrica non è

molto conveniente produrla per alimentare il processo

elettrolitico di estrazione dell’idrogeno. Può essere

razionale utilizzare l’energia elettrica, a tal fine, durante le

ore notturne o nei periodi di scarso impegno di potenza.

Schema di un impianto per la produzione di idrogeno con cattura di CO2 alimentato a carbone

Stima dei costi di un impianto per la produzione di idrogeno con cattura di CO2 alimentato a carbone

*PCI Carbone = 6000 kcal/kg, Prezzo Carbone = 0.05 €/kg

*

Proprietà fisiche dell’idrogeno

Idrogeno come combustibile

Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (I)

Stoccaggio in bombole ad alta

pressione 200÷250 bar

E’ prossimo l’impiego di bombole con livello massimo di

pressione pari a 350 bar, già si parla però di pressioni ancora

superiori attorno ai 700 bar.

Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (II)

Stoccaggio in forma

liquida a –253°C

E’ possibile immagazzinare, a parità di volume, una quantità

superiore di Idrogeno rispetto all’accumulo allo stato gassoso, a

pressioni relativamente basse (2÷3 bar). I problemi di

isolamento termico oggi sono stati completamente superati. Un

esempio di estrema funzionalità è il serbatoio della BMW 750h,

realizzato dalla casa Bavarese e dalla LINDE, azienda tedesca

molto importante nel settore dei gas tecnici.

Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (III)

L’idrogeno può legarsi chimicamente con diversi metalli e leghe

metalliche, formando idruri. Questi composti sono in grado di

intrappolare l’idrogeno, a pressioni relativamente basse.

L’idrogeno penetra all’interno del reticolo cristallino del metallo,

andando ad occupare i siti interstiziali. Un idruro molto diffuso è

il LiH. Il problema maggiore legato agli idruri metallici è il peso

del serbatoio e la attuale scarsa capacità di accumulo. Per

contro, gli idruri rappresentano, ad oggi, la modalità di accumulo

dell’idrogeno più sicura. Attualmente la ricerca in questo settore

è particolarmente attiva e diversi tipi di idruri sono oggetto di

sperimentazione.

Sicurezza

SICUREZZASICUREZZASICUREZZASICUREZZA H2 Metano Benzina

Limite di infiammabilità, aria (%vol) 4.0 - 75.0 5.3 –15.0

1.0 – 7.6

Limite di detonabilità, aria (%vol) 18.3 –59.0

6.3 –13.5

1.1 – 3.3

Schema di un impianto per la liquefazione dell’idrogeno

Stima dei costi di un impianto per la liquefazione dell’idrogeno

Schema di una possibile soluzione per la produzione, il trasporto e la erogazione di idrogeno

Stima dei costi distribuzione H2 liquido e gassoso