Nuovo processo di produzione dell'idrogeno

(Foto: Adobe Stock)

Un decennio di intensa attività di ricerca e sviluppo per sviluppare tecnologie solide ed efficienti che utilizzano l'idrogeno come principale fonte di combustibile è destinato a fornire una serie di nuove soluzioni energetiche pronte per applicazioni commerciali.

I veicoli pesanti dotati di motori a combustione interna a idrogeno (H2 ICE) sono già in consegna ai clienti; i modelli alimentati a celle a combustibile dovrebbero essere disponibili tra un anno o due. Il lancio di macchine edili che utilizzano tecnologie simili è imminente. Altrove, i treni alimentati da elettricità generata da celle a combustibile a idrogeno sono già in funzione, seppur in misura limitata.

Tuttavia, mentre queste tecnologie procedono lungo il percorso di sviluppo verso la commercializzazione, la questione su dove verrà reperito l'idrogeno rimane in gran parte irrisolta. I siti esistenti producono solo quantità molto limitate di H₂ e, sebbene diversi governi nazionali abbiano avviato iniziative di finanziamento volte a sostenere importanti progetti di produzione di H₂, ci vorranno anni prima che si raggiungano volumi significativi.

La scarsità di idrogeno è tale che nel settembre 2024 un operatore ferroviario tedesco ha dovuto tornare ai treni diesel quando è diventato impossibile reperire il carburante per il suo nuovo materiale rotabile alimentato a idrogeno.

Produzione di idrogeno

Esistono diversi metodi per rilasciare l'idrogeno da utilizzare come combustibile, ma la maggior parte prevede l'elettrolisi o la pirolisi. Nell'elettrolisi, il processo utilizza una corrente elettrica per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. La pirolisi utilizza il calore per separare l'H₂ da un materiale di partenza.

Whitaker Irvin, Jr., Q Idrogeno

Entrambi presentano svantaggi legati all'energia necessaria per azionare il processo; da parte sua, l'elettrolisi richiede elettricità rinnovabile "verde" per produrre idrogeno verde. La pirolisi richiede temperature elevate, che come minimo necessitano di una fonte di accensione adeguata: in un caso, il Fraunhofer IMM (Istituto per la Microingegneria e i Microsistemi) ha sviluppato una procedura di pirolisi dell'ammoniaca che, una volta avviata, si dice sia ampiamente autosufficiente in termini di calore.

Whitaker Irvin, Jr., presidente e CEO di Q Hydrogen, afferma che l'azienda ha sviluppato un processo completamente nuovo per la produzione di idrogeno che utilizza molta meno energia rispetto a quelli sopra menzionati, sebbene affermi che la tecnologia non era stata originariamente sviluppata per produrre idrogeno.

La tecnologia sviluppata da mio padre risale al 2007 e mirava a fornire un nuovo metodo per il riscaldamento e il raffreddamento industriale. L'idea era di creare due flussi d'aria differenziati, un lato caldo e uno freddo, utilizzando geometrie a forma d'onda iperbolica. Queste [geometrie] venivano posizionate su superfici fisse delle piastre della turbina in una disposizione speculare – si sarebbero "annidate" se avvicinate – ma con un leggero spazio tra loro. Spingendo l'aria attraverso questa configurazione si crea un ambiente in cui le zone di alta e bassa pressione interagiscono in senso orario e antiorario, con l'obiettivo di ottenere una reazione [variazione di temperatura] all'interno della turbina in metallo non ferroso.

Ci aspettavamo una differenza di temperatura tra i 10 e i 20 °F. Ma quello che abbiamo ottenuto è stato molto maggiore, circa 147 °F sul lato caldo e 37 °F su quello freddo. Il tutto in un'unità di circa 15 cm di larghezza e 30 cm di altezza. Quello è stato il primo indizio che stava succedendo qualcosa di più potente.

Proseguendo, Irvin racconta che circa un anno dopo, durante un test del sistema in una camera sigillata, una valvola aperta permise all'umidità di entrare nell'unità di prova. La valvola fu aperta il giorno successivo e, come racconta Irvin: "Ci fu un boom! L'idrogeno si era formato semplicemente dall'umidità presente nell'aria che interagiva con le piastre della turbina; non stava nemmeno girando".

Fu aggiunto un sistema che consentiva l'aggiunta di quantità misurate di umidità e i successivi test determinarono che l'unità poteva produrre idrogeno gassoso. Nel 2014 si decise di commercializzare il processo, che portò alla realizzazione della prima turbina destinata a trattare l'acqua e produrre idrogeno.

Irvin afferma che i flussi in senso orario/antiorario all'interno dell'unità creano zone di alta e bassa pressione che a loro volta producono vortici ad alta velocità. È questo ambiente fondamentale per la produzione di idrogeno gassoso.

La sede di Q Hydrogen a Groveton, New Hampshire (Foto: Q Hydrogen)

"In sostanza, si crea un'enorme quantità di informazioni sul materiale presente nella turbina", spiega. "Ci sono ancora un po' più di dettagli, un paio di elementi di processo in più che prevediamo di svelare presto, ma questa è una delle chiavi".

Pur avvertendo che "probabilmente suonerà piuttosto banale", Irvin prosegue affermando che la produzione energetica globale finora si è concentrata principalmente su processi legati al calore. Ma afferma che la natura ci ha fornito una serie di soluzioni che hanno il potenziale per creare energia senza una reazione chimica: "Dobbiamo solo essere abbastanza aperti mentalmente da sfruttare ciò che abbiamo a disposizione".

Energia del New England

Il processo di ricerca e sviluppo è stato condotto presso un laboratorio nello Utah. Tuttavia, le prime unità di produzione di idrogeno finite saranno installate in uno stabilimento nel New Hampshire.

Secondo Irvin, la decisione di concentrare la produzione nel New England è legata all'aumento dei costi energetici negli Stati Uniti settentrionali. Con il sito di produzione di idrogeno, spera di fornire elettricità a un prezzo simile a quello dei PPA (Power Purchase Agreement), tariffe più diffuse negli stati meridionali e occidentali.

"Abbiamo ricevuto molto supporto dalla comunità e dallo Stato [del New Hampshire]. Prevediamo di aprire la struttura quest'anno, auspicabilmente nella prima metà dell'anno", afferma.

Il primo cliente dell'impianto sarà un data center mobile. In futuro, si prevede di fornire idrogeno a clienti paganti. Tra questi, potrebbero rientrare compagnie marittime, che potrebbero utilizzare l'idrogeno per supportare la decarbonizzazione dei motori e raggiungere la conformità IMO 3. Progetti futuri potrebbero prevedere l'adattamento all'idrogeno di centrali elettriche a carbone dismesse e la loro riattivazione.

Tabella dei colori dell'idrogeno (Grafica per gentile concessione del Journal of Petroleum Technology)

Tornando al New Hampshire, Irvin spiega che l'elettricità verrà da una serie di generatori a combustibile gassoso [3016] della Caterpillar che sono stati adattati per utilizzare l'idrogeno.

Caterpillar sta sviluppando i propri gruppi elettrogeni a idrogeno, ma abbiamo dovuto farlo da soli a causa dei tempi di produzione delle unità Caterpillar. Queste unità rappresentano un primo passo e non rappresentano l'uso più efficiente del nostro carburante. Stiamo lavorando a casi d'uso con laboratori di combustione e abbiamo compiuto progressi significativi con le celle a combustibile, lo stoccaggio del carburante e il miglioramento delle tecniche di trasporto del prodotto.

A titolo di spiegazione, Irvin prosegue dicendo che il prodotto Q Hydrogen è costituito principalmente da idrogeno, ma presenta concentrazioni molto ridotte di altri elementi che contribuiscono a supportare una più ampia gamma di usi industriali.

"So di essere un po' vago, ma pubblicheremo anche i dettagli", aggiunge con un sorriso. "Abbiamo scoperto cose davvero interessanti che si possono fare con l'idrogeno, e che si possono usare in moltissimi settori."

Perdita di energia

L'energia utilizzata nel processo di elettrolisi dell'acqua si traduce in una riduzione del 20-30% del valore energetico totale dell'idrogeno finale prodotto. Alla domanda sulla relativa perdita di energia con il sistema sviluppato da Q Hydrogen, Irvin afferma che gli input energetici sono "minimi" rispetto ai metodi di produzione esistenti.

"In questo modo possiamo produrre il carburante in loco, utilizzarlo in un gruppo elettrogeno altamente inefficiente e aspettarci comunque di ricavarne un profitto".

L'IRA, o Inflation Reduction Act del 2022, offre crediti di produzione per ogni chilogrammo di idrogeno pulito "qualificato" prodotto in un impianto di produzione qualificato. Irvin: "Sono contento che l'IRA esista perché ha dato voce alla tecnologia e al settore dell'idrogeno che esiste da tempo, ma che necessitavano di una spinta, come l'energia solare ed eolica. Stiamo attraversando questo processo, ma non ci siamo mai concentrati sull'affidarci ai sussidi".

Tale è l'efficienza del metodo di produzione proprietario che, sebbene Q Hydrogen accetti tutti i sussidi governativi disponibili per supportare la produzione di H2, l'azienda potrebbe operare in modo redditizio senza alcuna assistenza finanziaria.

In risposta a chi potrebbe sostenere che un determinato tipo di energia dovrebbe essere utilizzato nella sua forma originale per evitare inutili perdite di energia, afferma che, sebbene l'energia eolica e solare sia generalmente migliore nella sua forma originale e non utilizzata per elettrolizzare l'acqua, non tutte le aree geografiche offrono questa possibilità. Inoltre, la tecnologia è ancora agli inizi.

L'energia potenziale contenuta in una goccia d'acqua è enorme. Credo che ci sia stato uno studio che ha dimostrato che se si potesse potenziare in modo efficiente tutta l'energia di una goccia d'acqua, si potrebbe alimentare San Francisco per un certo periodo di tempo. Credo che sia vero, ma siamo solo all'inizio di un viaggio che potrebbe concludersi lì.

Percorso futuro

Oggi l'opinione generale è che l'idrogeno abbia un ruolo da svolgere nel futuro mix energetico, ma solo accanto alle opzioni esistenti, tra cui gas naturale, diesel, benzina ed energia elettrica. Irvin, tuttavia, ritiene che l'idrogeno avrà un ruolo di primo piano, con tecnologie come quella sviluppata da Q Hydrogen che modificheranno l'attuale traiettoria di utilizzo dell'H₂.

Sono appena tornato da una riunione governativa in Irlanda, dove si parlava di come la domanda stia creando carenze di energia. Negli Stati Uniti, alcuni data center proposti prevedono l'interconnessione alla rete tra sette e dieci anni, perché non c'è ancora capacità. Credo che l'idrogeno possa contribuire a risolvere questi problemi; credo che ci sia il potenziale per nuovi data center completamente indipendenti dalla rete e alimentati dall'idrogeno.

Le condotte per l'idrogeno saranno probabilmente parte di un sistema hub and spoke (Foto: Adobe Stock)

Ci sono altri concorrenti nel mercato energetico "remoto", inclusi i reattori nucleari a basso consumo energetico. Irvin ritiene che questi avranno un ruolo da svolgere, influenzato in gran parte dalla posizione geografica. "Ci sarà spazio per le microcentrali nucleari e per l'idrogeno, ma avranno un impatto sul mercato in modi diversi".

Per quanto riguarda la consegna, afferma che esiste il potenziale per una conduttura nazionale dell'idrogeno, ma uno dei fattori che potrebbe supportare questa ipotesi è lo stato del prodotto finale.

L'idrogeno che produciamo si presterebbe alla distribuzione tramite condotte. Ma in realtà, credo che la produzione si baserà su un modello a raggiera. Sarebbe molto costoso contenere e far passare l'idrogeno gassoso o l'idrogeno liquido raffreddato criogenicamente attraverso una condotta.

Come per la tecnologia di produzione, Irvin aggiunge che Q Hydrogen pubblicherà in un secondo momento maggiori dettagli sulla possibilità di fornire idrogeno tramite una conduttura dedicata.