La combustione dell’idrogeno
L'Unione Europea aspira ad essere il primo continente a raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, ossia diventare un'economia a zero emissioni di CO2 e di gas a effetto serra. Nel quadro dell'accordo di Parigi la transizione verso un'economia a impatto climatico zero costituisce una sfida urgente e al tempo stesso un'opportunità per costruire un futuro migliore per tutti.
Un percorso complesso, che mette sempre più in evidenza l’impellente necessità, per poterlo rispettare, di trasformare radicalmente il sistema energetico europeo, investendo in un mix diversificato di tecnologie e fonti alternative.
In questo scenario, l’idrogeno ha un ruolo centrale nelle scelte strategiche di investimento dell’Europa che vede questa sostanza e le tecnologie ad essa legate come validi alleati, sia in ambito industriale che residenziale.
I sistemi a combustione di idrogeno, però, costituiscono una vera e propria “sfida tecnologica” che si gioca su due fronti:
Una disponibilità costante di idrogeno
Una combustione ottimale
La combustione e il punto sull’azoto
In un processo di ossidoriduzione esotermica, comunemente detta combustione, la produzione di energia avviene attraverso l’utilizzo di idrocarburi come combustibile e dell’ossigeno contenuto nell’aria come comburente. Tra questi il metano è quello con minore numero di atomi di carbonio e quindi, durante il processo di combustione (CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O) è quello che produce il minor quantitativo di anidride carbonica.
Sostituendo il metano con l’idrogeno (2H2 + O2 → 2H2O) avremo una reazione che non genera CO2 e che da come prodotto di combustione acqua, sotto forma di vapore, in un processo apparentante pulito.
Una notevole differenza nell'impiego dell'idrogeno è che la propagazione laminare della fiamma della miscela idrogeno/aria è oltre 7 volte maggiore di quella metano/aria. Questo aumenta il rischio di flash back, ovvero la propagazione del fronte di fiamma in direzione opposta a quella dei reagenti, con possibilità di esplosioni o danni al bruciatore.
Inoltre, utilizzando l'idrogeno bisogna tener conto che l’alta temperatura adiabatica di fiamma (2380°K Vs 2222 °K del metano) comporta problemi sui materiali, che saranno sottoposti ad un notevole stress termico.
Come se non bastasse, nell’aria è presente in grandi quantità (79%) anche l’azoto, che partecipa attivamente durante il processo di combustione dell’idrogeno sprigionando monossido di azoto (NO) e del biossido di azoto (NO2), il primo ha tossicità limitata mentre il secondo ha un odore forte, pungente, è irritante e di colore giallo-rosso.
Le tecnologie di combustione
Insomma, l’idrogeno non sembra così facile da impiegare nel processo di combustione. Inoltre, scambiare la produzione dell’anidride carbonica con la produzione di biossido di azoto non sembra essere un affare vantaggioso.
Per fortuna, la tecnologia ci viene in aiuto con l’utilizzo di bruciatori “senza fiamma”. La tecnologia denominata “flameless” o “mild” combina un forte preriscaldamento dell’aria (o della camera di combustione) con un elevato ricircolo interno dei gas esausti, permettendo così un processo di combustione di tipo “volumetrico” distribuito su di un’ampia regione della camera di combustione anziché concentrato sulla fiamma.
In questo modo l'assenza di una fiamma comporta un’alta omogeneizzazione delle temperature all’interno della fornace, con la conseguente scomparsa di punti caldi e quindi picchi di temperatura, principali responsabili della formazione degli inquinanti di origine termica (NOx).
Un altro grande vantaggio di questo tipo di bruciatori è quello di poter funzionare a metano, a idrogeno e con miscele di queste due elementi, permettendone l’utilizzo già oggi in prospettiva futura quando l’idrogeno (si spera) diventerà di uso comune.
Anche nel mondo della produzione di energia tramite turbogas la tendenza sembra quella di sostituire progressivamente il metano con l’idrogeno e già le macchine in commercio oggi sono in grado di funzionare con miscele idrogeno/metano tra il 40 ed il 70% in volume a tutela degli investimenti fatti su questo tipo di tecnologie.
Siamo pronti?
Siamo quindi pronti a utilizzare l’idrogeno come combustibile oggi? Difficile dire di sì...
La tecnologia esiste ed è in continua evoluzione, ma quello che manca è proprio l’idrogeno. La sfida più grande è quella di produrlo in modo continuo in grosse quantità. Le applicazioni industriali per cui l’utilizzo dell’energia elettrica non è conveniente (ad esempio forni per l’industria siderurgica) necessitano di grandi quantità di idrogeno, non sufficientemente ottenibile con l’autoproduzione.
Il futuro dell’idrogeno in Italia non può che essere verde; tuttavia, per sviluppare la produzione di questo gas dalle da fonti rinnovabili servono incentivi dedicati e di pari passo vanno sviluppati anche i settori affini come l’eolico e il fotovoltaico.
Ad oggi il nostro paese non ha ancora messo in atto politiche concrete sull'argomento idrogeno ma, utilizzando i fondi del PNRR, si prevede un investimento di circa 3,7 miliari di euro per progetti per lo sviluppo della filiera dell'idrogeno che dovrebbero portare a coprire il 2% della domanda energetica finale, con una riduzione delle emissioni di anidride carbonica di circa 8m ton entro il 2030.
Thanks to: Mauro Rigo
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