Produzione ad alta temperatura di idrogeno più sicura, economica e a basso impatto ambientale grazie ad un nuovo brevetto ENEA

7 settembre 2015

L’aumentata disponibilità di calore ad alta entalpia ed elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili richiede lo sviluppo di nuove tecnologie-chiave per la produzione e lo sfruttamento dell’idrogeno come vettore energetico, nonché per la conversione e l’accumulo chimico di energia rinnovabile. Negli ultimi anni si assiste ad un interesse sempre crescente della ricerca energetica nei confronti delle tecnologie elettrolitiche di alta temperatura come uno dei potenziali processi-chiave per la produzione su larga scala dell’idrogeno in maniera efficiente, economicamente valida e con un minimo impatto ambientale.

Attualmente, la maggior parte delle ricerche in questo settore è incentrato sullo sviluppo di elettrolizzatori che sfruttano la tecnologia delle celle a combustibile ad ossidi solidi per operare a temperature comprese fra 700 e 900 °C. Nonostante la presenza di atmosfere pericolose (idrogeno e ossigeno) in spazi confinati e in condizioni di alte temperature, il rischio di incendi ed esplosioni è un aspetto ancora poco approfondito della ricerca sugli elettrolizzatori ad ossidi solidi. Un elemento aggiuntivo di pericolosità deriva anche dal particolare schema di processo adottato per il funzionamento ottimale di un elettrolizzatore a ossidi solidi che prevede operazioni di ricircolo in alta temperatura dell’idrogeno proveniente dal comparto catodico della cella di elettrolisi.

Il brevetto depositato dall'ENEA propone una soluzione fortemente innovativa per realizzare un processo di produzione elettrolitica dell’idrogeno ad alta temperatura in condizioni operative che evitano il ricircolo di idrogeno e rendono trascurabile il rischio di fiamme ed esplosioni anche in caso di perdite di idrogeno/ossigeno e anomalie di impianto. Tali condizioni di sicurezza intrinseca vengono realizzate in un processo di elettrolisi in sale fuso che sfrutta il particolare “chimismo” dei sali di carbonato fuso per produrre atmosfere gas-vapore non infiammabili contenenti elevate percentuali di anidride carbonica (non meno che il 50%).

Come ulteriore vantaggio, già descritto in un precedente brevetto ENEA degli stessi autori del 2012, il processo opera a temperature intermedie (intorno a 500-550°C) al fine di realizzare un sistema di produzione simultanea di idrogeno e miscele ossi-combustive (ossigeno+anidride carbonica, prive di azoto) completamente integrato e alimentato da energia solare a concentrazione.

La sicurezza operativa scaturisce non solo dal fatto che l’anidride carbonica, grazie al suo elevato peso specifico, è un ottimo agente diluente ed estinguente di ogni tipo di fiamma.In più, è anche l’unico gas diluente che, nelle concentrazioni presenti nel processo, agisce efficacemente sull’energia di ignizione dell’idrogeno, riducendo in maniera sostanziale il rischio di accensione dell’idrogeno da scintille.

Altri vantaggi sono ottenibili dal processo proposto utilizzando l’anidride carbonica come gas di trasporto: è un gas facilmente separabile dall’idrogeno e dall’ossigeno e inoltre evita la formazione di idrossidi corrosivi nel sale fuso, che altrimenti si formerebbero inevitabilmente in ambienti gassosi contenenti vapore acqueo, ma privi di CO2.

Come aspetto preferenziale della presente invenzione, è inoltre possibile utilizzare la miscela ossicombustiva per alimentare un processo di ossicombustione. In questo modo, recuperando i fumi di combustione (100 % CO2) si può realizzare un processo ibrido di produzione di idrogeno a ciclo chiuso di CO2 ovvero viene fatta ricircolare CO2 (gas inerte) nell’impianto di elettrolisi invece che idrogeno come succede negli elettrolizzatori tradizionali ad ossidi solidi, al fine di massimizzare gli aspetti economici e di sicurezza operativi.

Inventori: Stefano Frangini, Pietro Tarquini e Claudio Felici

Il brevetto, depositato il 29-05-2015 con il numero 102015000019528 e inserito nella banca dati brevetti ENEA il 22-06-2015, è disponibile per il licesing.