Viviamo già in un’economia dell’idrogeno: produzione di acciaio, raffreddamento dei generatori e gas di saldatura

Mar 13, 2023

Sebbene generalmente l’idrogeno sia menzionato solo nel contesto dei trasporti e dello stoccaggio dell’energia, le applicazioni di gran lunga più utili si trovano nelle applicazioni industriali, tra cui l’industria chimica, la produzione di acciaio, nonché quella di metanolo e fertilizzanti. Ciò è illustrato dal modo in cui oggi, soprattutto l’idrogeno prodotto oggi, viene utilizzato per queste applicazioni industriali, nonché per applicazioni come il raffreddamento dei turbogeneratori, con la domanda di idrogeno in queste applicazioni in rapido aumento.

Attualmente praticamente tutto l’idrogeno prodotto oggi proviene dal gas naturale, tramite la riformazione del metano a vapore (SMR), con la potenziale pirolisi del metano che rende l’idrogeno derivato dal gas naturale una fonte a basso contenuto di carbonio. Il resto dell'idrogeno proviene dalla gassificazione del carbone e una piccola frazione dall'elettrolisi dell'acqua. L'idrogeno viene spesso prodotto in loco, soprattutto negli impianti industriali e nelle centrali termoelettriche. Quindi, a parte qualsiasi sforzo di decarbonizzazione, ci sono molti usi dell’idrogeno di cui il pubblico sembra generalmente ignaro.

Questo ci porta alla scala dell’idrogeno, alquanto controversa.

Alcuni di noi potrebbero già essersi imbattuti nella scala dell’idrogeno pulito, come resa popolare da Michael Liebreich. Questo è simile alla piramide dell’idrogeno pulito in quanto cerca di catturare le applicazioni dell’idrogeno più essenziali ed economiche. Ad esempio evidenziando gli usi industriali primari, otteniamo quanto segue:

La parte controversa di questa scala dell'idrogeno deriva principalmente dal posizionamento di categorie come "Stoccaggio a lungo termine" e "Veicoli fuoristrada", con una serie di articoli CleanTechnica (parte 1, parte 2) di Michael Barnard e dell'ingegnere di processo chimico Paul Martin entra in un certo livello di dettaglio qui. Per quanto riguarda lo stoccaggio dell’energia a lungo termine utilizzando l’idrogeno, questo è un argomento che abbiamo trattato in un precedente articolo sui sistemi di stoccaggio dell’energia, insieme a un articolo sulle tecnologie di stoccaggio più pratiche a livello di rete.

Quando ci concentriamo solo sulle categorie delle linee "A" e "B" evidenziate in questa immagine, è importante ricordare che queste categorie contengono essenzialmente tutte le principali forme di utilizzo attuale dell'idrogeno, insieme a un numero menzionato in precedenza, come come l'uso come refrigerante, ma che non sono trattati in questa immagine. L’utilizzo di gran lunga maggiore dell’idrogeno, tuttavia, è quello per la produzione di ammoniaca (NH3). L'ammoniaca viene utilizzata nei solventi, nei detergenti domestici, come antisettico, come refrigerante (R717), negli scrubber con ossido di zolfo (SO2) e protossido di azoto (NOx), ma forse soprattutto nella produzione di fertilizzanti.

Un'applicazione più controversa dell'ammoniaca è quella come combustibile, poiché la combustione di NH3 in un'atmosfera contenente ossigeno produce vari inquinanti, tra cui N2O (protossido di azoto), come notato in recenti studi di Juan D. Gonzalez et al. (2017) e S. Mashruk et al. (2021). Il protossido di azoto, noto anche come gas esilarante, è un potente gas serra ed è neurotossico, essendo un antagonista del recettore NMDA. A causa di tali problemi, è improbabile che l’ammoniaca come combustibile venga utilizzata in modo significativo laddove esistono alternative.

Tra i refrigeranti gassosi, l'idrogeno è una scelta popolare, poiché ha una conduttività termica significativamente più elevata rispetto ad altri gas, ha un'elevata capacità termica specifica, una bassa densità e quindi un attrito molto basso nelle applicazioni in cui questo è davvero importante, come nei generatori. Questo è il motivo per cui i turbogeneratori vengono solitamente raffreddati con gas idrogeno, con il gas riscaldato fatto passare attraverso uno scambiatore di calore gas-acqua prima di essere ricircolato. La manutenzione di questi turbogeneratori raffreddati a idrogeno porta anche a una delle caratteristiche più interessanti dell'idrogeno: la sua capacità di bruciare nell'aria a concentrazioni di idrogeno comprese tra il 4% e il 74%.

Combinato con il punto di autoaccensione dell'idrogeno a 571 °C, ciò rende essenziale prevenire perdite di aria nel generatore e viceversa. Prima di poter eseguire qualsiasi manutenzione sul turbogeneratore, l’idrogeno deve essere spurgato, il che costituisce un compromesso tra maggiore efficienza e facilità di manutenzione. E come notato in precedenza, la maggior parte delle centrali elettriche dispone di un elettrolizzatore in loco per generare idrogeno sostitutivo quando necessario.