Processo e reattore a membrana per la produzione di idrogeno e ossigeno mediante termolisi dell'acqua
Il processo sviluppato ha lo scopo di produrre idrogeno e ossigeno mediante la reazione di termolisi dell’acqua. Questa reazione consiste nella scissione ad alta temperatura della molecola dell’acqua. La reazione è fortemente endotermica e richiede grosse quantità di calore. Dal punto di vista teorico è molto vantaggiosa perché permette di ottenere in un solo passaggio e quindi in maniera diretta idrogeno (e ossigeno). Se il calore necessario alla reazione venisse fornito da una fonte rinnovabile, quale l’energia solare, si avrebbe la possibilità di produrre idrogeno, che è un importante vettore energetico, in maniera pulita.
Attualmente, le elevate temperature operative necessarie ad ottenere rendimenti significativi rendono questo processo di non pratica applicazione. Infatti, i sistemi più efficienti in grado di utilizzare l’energia solare (CSP, concentrating solar power system) raggiungono temperature intorno ai 750 °C mentre nei sistemi a torre riflettente (solar tower reflector) è possibile arrivare a 1300 °C. Il raggiungimento di temperature più elevate (1500-2000 °C) è atteso con lo sviluppo di ricevitori che utilizzano metalli liquidi.
In condizioni di equilibrio termodinamico la conversione di reazione, che corrisponde alla frazione di acqua che reagisce, a pressioni tra 0.5 e 1 bar è praticamente nulla a 1500 °C, mentre raggiunge il valore di qualche percento a 2000 °C lasciando poco spazio all’utilizzo combinato con un sistema ad energia solare.
Studi precedenti hanno dimostrato che l’utilizzo di reattori a membrana, dispositivi che permettono la rimozione selettiva dell’idrogeno dall’ambiente di reazione, siano in grado di aumentare la conversione anche oltre i valori di equilibrio termodinamico. In questi dispositivi a 2000 °C circa il 10% dell’acqua reagisce per decomporsi in idrogeno e ossigeno. Un ulteriore vantaggio dell’utilizzo di un reattore a membrana sta nel fatto che una buona frazione dell’idrogeno prodotto è separato dalla membrana stessa e quindi può essere recuperato direttamente come gas puro.
Il nuovo processo studiato ha preso in considerazione l’utilizzo combinato in un unico reattore didue membrane selettivamente permeabili rispettivamente all’idrogeno e all’ossigeno (vedi figura a lato). La rimozione di entrambi i prodotti di reazione promuove ulteriormente la reazione di termolisi dell’acqua rispetto al caso precedente e permette di far reagire a 1800° circa il 10% dell’acqua valore che arriva a circa il 20% a 2000 °C.
Nello specifico il brevetto rivendica il dispositivo costituito dalle due membrane per l’idrogeno e l’ossigeno individuando preferibilmente come materiali per la loro realizzazione il vanadio e l’afnio. A 2000 °C con un’alimentazione di 1000 kg/h di acqua e circa 2 MW di potenza solare, il dispositivo proposto consente la produzione di circa 200 e 100 Nm3/h di idrogeno e ossigeno ultrapuri.
A valle dello sviluppo dei sistemi solari a concentrazione in grado di operare a più alta temperatura, il nuovo dispositivo studiato presenta un’elevata efficienza nella produzione di idrogeno da energia solare. Paragonato a sistemi alternativi, ad esempio quelli che producono idrogeno mediante elettrolizzatori alimentati da impianti fotovoltaici, il nuovo dispositivo è caratterizzato da costi di impianto inferiori ed efficienze maggiori nella produzione di idrogeno.