Alimentare il futuro: Uno sguardo completo ai metodi di produzione dell'idrogeno

Mentre il mondo è alle prese con l'urgente necessità di abbandonare i combustibili fossili e ridurre le emissioni di gas serra, l'idrogeno è emerso come un promettente vettore di energia pulita. Ma non tutti gli idrogeni sono uguali in termini di impatto ambientale. Una nuova analisi completa esamina 19 diversi metodi di produzione dell'idrogeno per determinare quali offrono la migliore combinazione di efficienza, economicità e sostenibilità.

Lo stato della produzione di idrogeno oggi

Attualmente, circa il 95% dell'idrogeno è prodotto da combustibili fossili, principalmente attraverso il reforming a vapore del gas naturale. Sebbene questo metodo sia tecnicamente maturo e relativamente a basso costo, comporta notevoli emissioni di anidride carbonica. Nell'ottica di sviluppare un'economia dell'idrogeno realmente sostenibile, cresce l'interesse per l'"idrogeno verde" prodotto da fonti rinnovabili con un impatto ambientale minimo.

Valutazione delle opzioni

I ricercatori hanno valutato i metodi di produzione dell'idrogeno in base a sei criteri chiave:

• Efficienza energetica
• Efficienza energetica (massimo lavoro utile)
• Costo di produzione
• Potenziale di riscaldamento globale
• Potenziale di acidificazione
• Costo sociale del carbonio

I metodi di produzione sono stati raggruppati per fonte di energia primaria:

1. Elettrica (ad es. elettrolisi)
2. termica (ad es. scissione termochimica dell'acqua)
3. Fotonica (ad es. fotocatalisi)
4. Approcci ibridi che combinano più fonti di energia

Risultati principali

Efficienza: Il reforming dei combustibili fossili rimane il leader dell'efficienza con l'83%, mentre i metodi basati sull'energia solare come la fotocatalisi sono molto indietro con un'efficienza inferiore al 2%. Anche i metodi termici come la gassificazione della biomassa mostrano una forte efficienza.

Costi: I metodi basati sui combustibili fossili sono ancora i più economici, con il reforming a 0,75 dollari/kg di H2. Le tecnologie emergenti, come la produzione fotoelettrochimica, sono molto più costose, con oltre 10 dollari/kg.

Impatto ambientale: I metodi fotonici e ibridi hanno emissioni prossime allo zero e un impatto ambientale molto basso. I metodi basati sui combustibili fossili e sulle biomasse hanno le emissioni e il potenziale di acidificazione più elevati.

I compromessi

Esistono chiari compromessi tra efficienza/costo e impatto ambientale. Le tecnologie mature basate sui combustibili fossili offrono un'elevata efficienza e bassi costi, ma una scarsa sostenibilità. I metodi rinnovabili emergenti sono più puliti, ma meno efficienti e più costosi.

Gli approcci ibridi che combinano più fonti energetiche sono promettenti per bilanciare questi fattori. I cicli termochimici ibridi hanno ottenuto il punteggio più alto in assoluto, considerando tutti i criteri.

Percorsi verso l'idrogeno sostenibile

Mentre l'idrogeno basato sui combustibili fossili può svolgere un ruolo di transizione, la produzione di idrogeno veramente sostenibile richiederà un ulteriore sviluppo di metodi rinnovabili. Alcuni approcci promettenti:

Migliorare l'elettrolisi: L'accoppiamento degli elettrolizzatori con l'elettricità rinnovabile potrebbe consentire la produzione di idrogeno a emissioni zero su scala crescente. I progressi nella tecnologia degli elettrolizzatori stanno riducendo costantemente i costi.

Idrogeno solare: La fotocatalisi e i metodi fotoelettrochimici offrono un percorso diretto dall'energia solare all'idrogeno, ma necessitano di importanti miglioramenti dell'efficienza per essere redditizi.

Cicli termochimici: L'utilizzo di calore ad alta temperatura proveniente da energia solare concentrata, nucleare o da rifiuti industriali per azionare cicli di scissione dell'acqua mostra un forte potenziale.

Vie della biomassa: La gassificazione e il reforming di materie prime da biomassa sostenibile potrebbero fornire idrogeno a basse emissioni di carbonio, anche se è necessaria un'attenta valutazione del ciclo di vita.

Approcci innovativi: Tecnologie emergenti come la fotosintesi artificiale mirano a imitare i processi naturali per una produzione efficiente di idrogeno solare.

Il progetto STORMING: Spingersi oltre i limiti

Mentre i ricercatori lavorano per far progredire i metodi di produzione dell'idrogeno, progetti innovativi stanno esplorando nuove frontiere. Un esempio è il progetto STORMING, finanziato dall'UE, che sta sviluppando reattori strutturati innovativi riscaldati da energia elettrica rinnovabile per convertire il metano in idrogeno e preziosi nanomateriali di carbonio. Combinando la produzione di idrogeno con la cattura del carbonio in reattori di nuova concezione, STORMING mira a creare un percorso per ottenere idrogeno a basse emissioni da fonti di metano sia fossili che rinnovabili.

La strada da percorrere

La transizione verso un'economia sostenibile dell'idrogeno richiederà una continua innovazione nei metodi di produzione. Le priorità principali sono:

• Ridurre i costi e migliorare l'efficienza dei percorsi dell'idrogeno rinnovabile.
• Sviluppare catalizzatori e materiali migliori per gli elettrolizzatori e i dispositivi solari a idrogeno.
• Ottimizzare l'integrazione dei sistemi e lo scale-up di tecnologie promettenti.
• Migliorare le capacità di cattura dell'anidride carbonica per gli approcci di transizione basati sui combustibili fossili.
• Condurre analisi approfondite del ciclo di vita per identificare percorsi realmente sostenibili.

Con l'accelerazione degli investimenti globali nelle tecnologie dell'idrogeno, possiamo aspettarci rapidi progressi nei prossimi anni. Sebbene le sfide rimangano, il potenziale dell'idrogeno come vettore energetico versatile e pulito lo rende un pezzo cruciale del puzzle dell'energia sostenibile.

L'analisi completa dei metodi di produzione fornisce una preziosa tabella di marcia, evidenziando i percorsi più promettenti da perseguire. Facendo avanzare strategicamente un portafoglio di tecnologie complementari, possiamo costruire un'economia dell'idrogeno che sia economicamente valida e ambientalmente sostenibile.

Siamo alle soglie dell'era dell'idrogeno e il futuro si prospetta luminoso per questo elemento leggero dal potenziale pesante. Grazie alla ricerca, allo sviluppo e a politiche intelligenti, l'idrogeno può svolgere un ruolo fondamentale nell'alimentare un mondo più pulito e sostenibile per le generazioni a venire.

Fonte: https://hydrogenfuelsystems.com.au/wp-content/uploads/2019/03/Review_and_evaluation_of_hydrogen_produc.pdf