Produrre idrogeno da CeO2? Basta usare un microonde per risultati rapidi

I combustibili fossili danneggiano il nostro clima. Come sappiamo, il mondo sta orientandosi rapidamente verso fonti di energia rinnovabili, sostenibili e verdi. In questa ricerca di carburanti rispettosi del clima, l’idrogeno è emerso come una potenziale fonte di decarbonizzazione.

La tecnologia ha reso possibile produrre idrogeno con emissioni di gas serra pari a zero o molto basse. L’interesse per l’idrogeno è così alto che il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato obiettivi nazionali per aumentare la produzione annuale di “idrogeno pulito” da quasi zero a 10 milioni di tonnellate metriche entro il 2030 e a 50 milioni di tonnellate metriche entro il 2050. 

Tuttavia, esiste un collo di bottiglia critico nel processo. I metodi termoelettrici tradizionali, basati sull’ossido‑riduzione dei ossidi metallici, richiedono operazioni a temperature estremamente elevate. La temperatura può raggiungere i 1500 gradi centigradi. 

Recentemente, un team di ricercatori del POSTECH, Pohang University of Science and Technology, Corea, ha trovato un modo per aggirare questo collo di bottiglia.

Il processo coinvolge una fonte di energia familiare ma poco sfruttata: l’energia “microwave”. Sì! Non ti sbagli. È la stessa fonte usata nei forni a microonde domestici. La ricerca è intitolata ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹‘. 

Nel segmento seguente, discutiamo le implicazioni di questa ricerca. 

Una tecnologia rivoluzionaria che affronta le limitazioni chiave nella produzione di idrogeno pulito usando i microonde

Il team era composto da ricercatori interdisciplinari che lavorano al POSTECH ed era guidato dal professor Gunsu S. Yun. Includeva il dottorando Jaemin Yoo (Dipartimento di Fisica, Divisione di Ingegneria Nucleare Avanzata), il professor Hyungyu Jin e il dottorando Dongkyu Lee (Dipartimento di Ingegneria Meccanica). Riconosciuta come una svolta nella ricerca di energia sostenibile, la ricerca è stata presentata sulla copertina interna della rivista Journal of Materials Chemistry A.

I ricercatori hanno iniziato con il presupposto che, sebbene i microonde possano riscaldare il cibo in modo efficiente, possano anche guidare reazioni chimiche. Hanno introdotto questa idea per abbassare la temperatura di riduzione della ceria dopata con Gd (CeO2). La ceria dopata con Gd (CeO2) è un materiale di riferimento per la produzione di idrogeno, e l’energia a microonde potrebbe ridurre la temperatura di riduzione di questo materiale di oltre il 60 percento, portandola al di sotto dei 600 gradi centigradi. 

L’energia a microonde potrebbe sostituire il 75 percento dell’energia termica necessaria per la reazione. Questa scoperta è giustamente una svolta per la produzione sostenibile di idrogeno.

Mentre spiegava perché la ricerca e i suoi risultati potrebbero essere considerati rivoluzionari, il professor Hyungyu Jin ha dichiarato:

“Questa ricerca ha il potenziale di rivoluzionare la fattibilità commerciale delle tecnologie di produzione di idrogeno termochimico. Aprirà anche la strada allo sviluppo di nuovi materiali ottimizzati per processi chimici guidati dai microonde.”

Il professor Gunsu Yun ha definito l’introduzione di questo nuovo meccanismo e il superamento delle limitazioni del processo esistente come “grandi risultati” che potevano essere realizzati solo grazie alla stretta collaborazione interdisciplinare del team di ricerca. 

Un’altra svolta raggiunta dal team è stata la creazione di Vacanze di Ossigeno. Si tratta di difetti nella struttura del materiale che aiutano a scindere l’acqua in idrogeno. Mentre i metodi tradizionali possono richiedere ore a temperature molto elevate, il team del POSTECH ha dimostrato come gli stessi risultati possano essere ottenuti in pochi minuti a temperature inferiori a 600°C sfruttando la tecnologia a microonde.

Mentre la ricerca del POSTECH ha rappresentato una svolta significativa, molte altre organizzazioni di ricerca in tutto il mondo sono attive nella produzione di metodi innovativi per la produzione di idrogeno pulito. Una delle organizzazioni in prima linea in questa ricerca è il National Renewable Energy Laboratory, un laboratorio nazionale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, gestito da Alliance for Sustainable Energy LLC.

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Produzione di idrogeno a basso costo: Altri sforzi

Sviluppato in collaborazione con Xcel Energy (XEL ), il progetto dimostrativo wind-to-hydrogen (Wind2H2) del NREL collega turbine eoliche e array fotovoltaici (PV) a stack di elettrolizzatori, che fanno passare l’elettricità generata attraverso l’acqua per scinderla in idrogeno e ossigeno. Il progetto è attualmente attivo presso il National Wind Technology Center vicino a Boulder, Colorado. L’obiettivo principale del progetto è migliorare l’efficienza del sistema nella produzione di idrogeno da risorse rinnovabili in quantità sufficienti e a costi abbastanza bassi da competere con fonti energetiche tradizionali come carbone, petrolio e gas naturale.

Un altro modo per produrre idrogeno pulito è utilizzare la luce solare per scindere direttamente l’acqua in idrogeno e ossigeno. L’industria fotovoltaica ha già sviluppato tecnologie sofisticate di celle multigiunzione per sistemi fotoelettrochimici (PEC) di raccolta della luce che generano una tensione sufficiente a scindere l’acqua e sono stabili in un ambiente acqua/elettrolita. Il NREL dispone del proprio sistema PEC che ha sviluppato.

Il sistema NREL può generare idrogeno dalla luce solare senza i costi e la complessità degli elettrolizzatori, raggiungendo un’efficienza di conversione solare‑idrogeno del 12,4% (valore calorifico inferiore) utilizzando luce catturata. Ulteriori ricerche al NREL si concentrano sullo sviluppo di materiali e sistemi più efficienti, a minor costo, che siano durevoli e resistenti alla corrosione in ambienti acquosi.

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Idrogeno biologico 

Un altro percorso entusiasmante che il NREL sta esplorando riguarda l’\”Idrogeno biologico\”. Gli scienziati del NREL stanno sviluppando tecnologie di pretrattamento per convertire la biomassa lignocellulosica in materie prime ricche di zuccheri che possono essere fermentate direttamente per produrre idrogeno, etanolo e prodotti chimici ad alto valore.

Inoltre, sono in corso sforzi per identificare un consorzio di Clostridium in grado di fermentare direttamente l’emicellulosa in idrogeno.

Altre aree di ricerca nel dominio dell’Idrogeno biologico includono quanto segue:

• Ricerca di microb

  i cellulolitici efficienti, come Clostridium thermocellum, che possono fermentare la cellulosa cristallina direttamente in idrogeno per ridurre i costi delle materie prime.

• Identificazione di un batterio cellulolitico modello.
• Esplorare il potenziale del batterio cellulolitico modello per manipolazioni genetiche, inclusa la sensibilità agli antibiotici e la facilità di trasformazione genetica.
• Sviluppare strategie per generare mutanti che siano bloccati selettivamente nella produzione di acidi di scarto e solventi, al fine di massimizzare la resa di idrogeno.

Mentre organizzazioni, istituti di ricerca e laboratori sono attivi in tutto il mondo, anche le aziende private sono attive. 

1. Linde 

Una delle aziende in prima linea nella produzione di idrogeno pulito da anni è Linde. L’azienda afferma che le sue tecnologie innovative, inclusa la compressione efficiente e il rifornimento sicuro di idrogeno, unite a decenni di esperienza, rendono la sua infrastruttura senza pari. 

Le operazioni dell’azienda, mirate alla produzione di idrogeno pulito, coinvolgono diversi metodi e strategie. L’elettrolisi per la produzione di idrogeno verde, ad esempio, prevede elettrolizzatori alimentati con energia rinnovabile.

Nell’elettrolisi, l’acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno utilizzando elettricità generata interamente da fonti di energia rinnovabile. Questo processo avviene all’interno di unità chiamate elettrolizzatori. Sebbene gli elettrolizzatori varino per dimensioni, capacità e tecnologia, la chimica fondamentale rimane la stessa.

Attualmente, esistono due principali tecnologie di elettrolisi: alcalina e PEM (Proton Exchange Membrane)—entrambe, secondo Linde, possono produrre idrogeno ad alta purezza in loco e su richiesta.

L’elettrolisi alcalina utilizza due elettrodi separati da una membrana porosa e una soluzione alcalina liquida come elettrolita. La soluzione elettrolitica consente il trasporto di ioni idrossido tra gli elettrodi per formare ossigeno e idrogeno, ma non vengono consumati durante la reazione. La tecnologia può essere affidabile e allo stesso tempo conveniente.

D’altra parte, l’elettrolisi PEM utilizza acqua pura e un elettrolita polimerico solido invece di una soluzione liquida per consentire all’elettricità di scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. I protoni di idrogeno attraversano la membrana, combinandosi con gli elettroni per formare gas H2 sul lato catodico.

Linde offre anche tecnologie efficaci di Cattura del Carbonio per Uso e Stoccaggio (CCUS) per una gamma di strategie. Dispone di soluzioni innovative per l’iniezione di idrogeno nelle pipeline di gas naturale esistenti, al fine di servire una vasta gamma di applicazioni finali.

Linde gestisce operazioni di stoccaggio altamente avanzate per l’idrogeno, che viene conservato in caverne di sale sotterranee. Oltre a essere un partner esperto nello sviluppo di parchi energetici, Linde gestisce da oltre un decennio la prima caverna commerciale di idrogeno ad alta purezza. Ha inoltre decenni di esperienza nella costruzione di sistemi di liquefazione dell’idrogeno per produrre idrogeno liquido, facilitandone lo stoccaggio e il trasporto.

Secondo gli ultimi dati finanziari disponibili, Linde ha registrato vendite per un valore di 8,356 miliardi di dollari USA nel trimestre conclusosi il 30 settembre 2024.

2. Air Products

Un’altra azienda che contribuisce in modo significativo al settore della produzione di idrogeno pulito è Air Products. L’azienda ritiene che la produzione di idrogeno pulito da fonti di energia rinnovabile sarà essenziale per decarbonizzare processi industriali difficili da elettrificare, come la produzione di acciaio e la lavorazione chimica.

L’azienda ha già impegnato 15 miliardi di dollari USA in progetti che faranno avanzare la produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio e accelerare la transizione energetica. 

Le applicazioni di idrogeno pulito dell’azienda includono il rifornimento di idrogeno per automobili, autobus, carrelli elevatori, navi, treni e camion. Il trasporto su strada rappresenta quasi il 12% delle emissioni globali. Convertire gli autobus diesel in autobus a celle a combustibile a idrogeno a zero emissioni può ridurre le emissioni globali di gas serra e migliorare la qualità dell’aria. Air Products è leader nel rifornimento di autobus a idrogeno ed è coinvolta in progetti in tutto il mondo.

La NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), joint venture di produzione equa tra ACWA Power, Air Products e NEOM, sta realizzando la più grande struttura al mondo per la produzione di ammoniaca basata su idrogeno verde, alimentata da energia rinnovabile. Questa impianto produrrà fino a 600 tonnellate al giorno di idrogeno privo di carbonio sotto forma di ammoniaca verde, come soluzione economicamente vantaggiosa per i settori dei trasporti e dell’industria a livello globale.

Il nuovo complesso energetico a idrogeno net-zero di Air Products è destinato a rendere Edmonton, Alberta, il centro dell’economia dell’idrogeno del Canada occidentale. Mentre la costruzione è ben avviata a Edmonton presso la nuova struttura di idrogeno trasformativa di Air Products, collegare questa struttura alla rete di pipeline esistente dell’azienda aiuterà i clienti del settore raffinazione e petrolchimico a ridurre l’intensità di carbonio dei loro prodotti energetici e a migliorare le loro prestazioni di sostenibilità. Inoltre, l’impianto di liquefazione di prima classe contribuirà ad accelerare l’uso dell’idrogeno come carburante di trasporto privo di emissioni in tutto il Canada occidentale.

Il Louisiana Clean Energy Complex di Air Products produrrà idrogeno a basse emissioni di carbonio per alimentare i mercati della mobilità e dell’industria nella regione del Golfo e oltre. Si stima che la struttura catturi e sequestri il 95% delle sue emissioni di anidride carbonica (oltre 5 milioni di tonnellate all’anno), sequestrando permanentemente la CO2 in spazi porosi geologici ideali in Louisiana.

Questo progetto è il più grande investimento statunitense di Air Products, realizzato con l’intento di aiutare lo stato della Louisiana a ridurre le sue emissioni di gas serra a zero netto entro il 2050.

Air Products prevede inoltre di investire circa 500 milioni di dollari per costruire, possedere e gestire una struttura da 35 tonnellate metriche al giorno per produrre idrogeno liquido verde in un sito greenfield a Massena, New York, oltre a istituire operazioni di distribuzione e dispensazione di idrogeno liquido. Il progetto eviterà 6 milioni di tonnellate di CO2 nel corso della sua vita. Utilizzerà energia idroelettrica del fiume San Lorenzo per alimentare la produzione di idrogeno liquido privo di carbonio.

Per l’anno fiscale conclusosi il 30 settembre 2024, l’azienda ha registrato un fatturato superiore a 12 miliardi di dollari USA.

Nel futuro con l’idrogeno pulito

Ci sono sufficienti incentivi per le aziende e le organizzazioni di ricerca per continuare a sviluppare nuovi metodi di produzione di idrogeno affidabili ed economici. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ad esempio, ha selezionato sette vincitori nel 2023 per il suo finanziamento collettivo di 7 miliardi di dollari USA previsto dalla Bipartisan Infrastructure Law per avviare una serie di “hub dell’idrogeno”.Per qualificarsi, ogni hub doveva dimostrare in modo convincente di poter “produrre almeno 50–100 tonnellate metriche di idrogeno pulito al giorno e ridurre le emissioni di gas serra”.

I partecipanti più attivi nominati negli hub di idrogeno scelti dal DOE includono aziende come AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), e (TRP ). 

Le tecnologie all’avanguardia possono anche contribuire a migliorare la produzione e la distribuzione dell’idrogeno. Il NREL, ad esempio, esegue test accelerati e cicli di tubi di erogazione dell’idrogeno a 700 bar presso l’Energy Systems Integration Facility, utilizzando robot automatizzati per simulare le condizioni di campo. Qui, i robot imitano lo stress ripetitivo di una persona che piega e torce un tubo per erogare idrogeno nel serbatoio di stoccaggio a bordo di un veicolo a celle a combustibile. I ricercatori studiano l’efficienza meccanica, termica e di pressione dei nuovi e dei tubi di erogazione dell’idrogeno usati.

L’idrogeno sta vivendo un momento di grande attenzione, e lo slancio può solo crescere da qui. Secondo le organizzazioni che monitorano lo sviluppo globale dei progetti di idrogeno, nel solo 2022 sono stati annunciati 680 progetti di produzione di idrogeno su larga scala, generando un investimento diretto di 240 miliardi di dollari. REL si occupa anche di eseguire regolarmente analisi a livello di sistema su una varietà di percorsi di produzione e distribuzione di idrogeno sostenibile, al fine di aiutare a determinare i miglioramenti di stato derivanti dai progressi tecnologici, i costi in funzione del volume di produzione e il potenziale di riduzione dei costi.

Non c’è dubbio che l’investimento in idrogeno fino al 2030, mentre le società di private equity e venture hanno investito importi record in aziende dell’idrogeno a diversi stadi di sviluppo nel 2022, offrendo 3,1 miliardi di dollari in private equity a società legate all’idrogeno e 2,6 miliardi di dollari in investimenti di venture capital in 192 startup del settore.

Parlando dell’importanza di questo slancio, Adria Wilson, direttrice del team US Policy & Advocacy di Breakthrough Energy, ha affermato che i recenti successi politici significano che l’idrogeno pulito e accessibile sarà uno strumento di decarbonizzazione a nostra disposizione nel prossimo decennio, se non prima.

Tuttavia, pur essendo estremamente ottimisti, bisogna ricordare che c’è ancora molta strada da percorrere. Secondo i dati forniti dal World Resources Institute, il 95% dell’idrogeno è prodotto da combustibili fossili, tipicamente tramite un processo noto come reforming del metano a vapore (SMR), in cui l’acqua viene riscaldata a temperature elevate per produrre vapore che reagisce con il gas naturale e genera idrogeno e anidride carbonica (CO2). Il processo emette significativamente gas serra, rilasciando da 10 a 14 chilogrammi di equivalenti CO2 per chilogrammo di idrogeno (kg CO2e/kg H2), una quantità simile alle emissioni di carbonio prodotte dalla fabbricazione e dalla combustione di un gallone di benzina.

I metodi di produzione di idrogeno pulito dovrebbero aiutarci a eliminare tali pratiche. La transizione dovrebbe essere rapida ma attraverso metodi sostenibili.

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