Da fertilizzante a fonte energetica del futuro
Ammoniaca: prospettive brillanti
L'ammoniaca è tradizionalmente conosciuta per la produzione di fertilizzanti. In futuro, potrebbe svolgere un ruolo chiave nella transizione energetica come fonte efficiente di idrogeno e come sostituto ecologico dei combustibili fossili, poiché può essere prodotta da azoto e idrogeno senza emissioni di carbonio. Inoltre, l'ammoniaca offre numerosi vantaggi in termini di trasporto e stoccaggio. L'Istituto Fraunhofer per la microingegneria e i microsistemi IMM sta lavorando a una tecnologia di cracking dell'ammoniaca poco ingombrante, efficiente e soprattutto decentralizzata in numerosi progetti di ricerca.
Impianto pilota Fraunhofer IMM per il cracking dell'ammoniaca con capacità di cracking di 20 kg/h
© Fraunhofer IMM
"L'ammoniaca ha prospettive molto brillanti per la trasformazione sostenibile del nostro sistema energetico", spiega Gunther Kolb, responsabile della Divisione Energia e vice direttore dell'Istituto Fraunhofer IMM di Magonza. "Produrre energia sufficiente senza emissioni non è l'unica sfida della transizione energetica. Poiché grandi quantità di elettricità verde possono essere prodotte principalmente in luoghi con molto vento o sole, come il Cile e l'Australia, il trasporto a basse perdite in aree con minore disponibilità di energia rinnovabile è davvero un fattore importante." L'uso dell'ammoniaca può portare vantaggi trasformativi in questo senso.
Perfettamente adatto allo stoccaggio e al trasporto dell'idrogeno
L'idrogeno verde (H2) si combina con l'azoto (N2) in un rapporto 3:1 per produrre ammoniaca (NH3) e l'energia immagazzinata e trasportata in questa forma (cioè l'ammoniaca) subisce minori perdite nella catena di approvvigionamento. Inoltre, l'ammoniaca presenta alcuni vantaggi rispetto all'idrogeno per lo stoccaggio dell'elettricità. Rimane liquida a pressione atmosferica e persino a una pressione di soli 7,5 bar o quando si raffredda fino a circa -33°C. Al contrario, per liquefare l'idrogeno puro è necessario immetterlo nel vuoto a bassa pressione e abbassare la temperatura a -253°C, il che richiede molta energia. Inoltre, l'ammoniaca ha una densità energetica volumetrica più elevata dell'idrogeno liquido, quindi può trasportare più energia per unità di volume. "Generare ammoniaca da idrogeno e azoto richiede solo il cinque per cento di energia in più rispetto alla generazione di idrogeno da elettricità verde", spiega Kolb. "E sia la produzione che il cracking dell'ammoniaca sono quasi completamente privi di carbonio". L'ammoniaca è tossica e infiammabile, quindi è classificata come pericolosa e soggetta a normative rigorose. Grazie agli elevati standard di sicurezza esistenti, ogni anno circa 25 milioni di tonnellate di ammoniaca vengono trasportate in modo sicuro in tutto il mondo via nave e ferrovia, soprattutto per la produzione di fertilizzanti.
Rete centrale dell'idrogeno in fase di sviluppo
L'ammoniaca deve essere riconvertita nei suoi composti originali (azoto e idrogeno) per essere utilizzata nell'industria chimica o come fonte di energia. Altrettanto importante è che ciò avvenga con perdite energetiche minime. L'ammoniaca in forma gassosa viene immessa in un reattore a una temperatura di circa 600 gradi Celsius, nel quale entra in contatto con un catalizzatore inorganico a base di nichel con un'ampia superficie interna. "In questo momento, i primi grandi impianti di elettrolisi vengono costruiti in luoghi ricchi di elettricità verde, come l'Australia e il Cile, per produrre ammoniaca. Per quanto riguarda l'Europa, uno dei primi grandi impianti di cracking è in costruzione a Rotterdam, ad esempio", afferma Kolb. Il piano prevede la fornitura di idrogeno nei luoghi in cui è necessario tramite oleodotti. Il problema principale è che molti potenziali clienti, soprattutto le PMI, non hanno accesso ai gasdotti per l'idrogeno. L'infrastruttura tedesca per l'idrogeno è attualmente in fase di realizzazione. I piani prevedono la realizzazione di una rete centrale di idrogeno che comprende circa 9.000 chilometri di condotte in totale entro il 2032, principalmente attraverso la conversione delle linee del gas naturale. Tuttavia, anche dopo tale data, vaste aree non saranno collegate alla fornitura di idrogeno.
Fornitura locale grazie alla tecnologia di cracking decentralizzato
"La nostra tecnologia di cracking decentralizzato è in grado di colmare questo gap di approvvigionamento in modo efficiente e a emissioni zero per quantità richieste comprese tra 100 kg e 10 tonnellate di idrogeno al giorno", spiega Kolb. "Nel progetto AMMONPAKTOR, che ha ricevuto finanziamenti dallo Stato della Renania-Palatinato, abbiamo collaborato con l'Istituto Fraunhofer per la matematica industriale ITWM per sviluppare un cracker di ammoniaca compatto che raggiunge un'efficienza del 90% durante il processo di riconversione grazie alla nostra innovativa tecnologia di scambiatori di calore a piastre e alla combustione integrata dei gas di scarico dall'adsorbimento a oscillazione di pressione utilizzato per la pulizia, rispetto al 70% delle tecnologie convenzionali."
L'energia necessaria per riscaldare il reattore viene generata direttamente nel reattore di cracking con l'aiuto dei flussi di gas di scarico, per cui non sono necessari combustibili o elettricità aggiuntivi per il cracking. Il reattore AMMONPAKTOR è anche più piccolo del 90% rispetto alla tecnologia convenzionale. Questo è particolarmente importante per le applicazioni mobili e con limiti di spazio. L'uso dei gas di scarico significa anche che la tecnologia ha una minore impronta di carbonio rispetto ai reattori a riscaldamento elettrico. "Oltre all'utilizzo interno dei gas di scarico, l'innovativo scambiatore di calore a piastre del Fraunhofer IMM, rivestito direttamente da un catalizzatore, fa la differenza", spiega Kolb. "Invece del metodo convenzionale di generare il calore necessario per il cracking in un sistema di tubi riscaldati dall'esterno a circa 900 gradi Celsius, che richiede molta energia, la nostra tecnologia genera il calore proprio dove è necessario, quindi il nostro sistema ha un trasferimento di calore molto migliore. E questo si traduce in un enorme risparmio energetico".
Un prototipo finito presso la sede del Fraunhofer IMM a Magonza consente già una produzione di idrogeno di circa 75 kg al giorno, pari alla produzione giornaliera di una cella a combustibile da 50 kilowatt. "Questo volume sarebbe sufficiente per rifornire una piccola stazione di rifornimento di idrogeno, ad esempio", osserva Kolb. Il prossimo obiettivo di sviluppo, per ora, è la produzione giornaliera di 10 tonnellate, anche nell'ambito del progetto marittimo quinquennale GAMMA dell'UE e del progetto faro del Fraunhofer AmmonVektor, che sta esplorando l'intera catena di valore dell'ammoniaca verde per rendere l'idrogeno disponibile su base decentralizzata e al minor costo possibile. Questo progetto triennale, diretto dall'Istituto Fraunhofer per la tecnologia ambientale, della sicurezza e dell'energia UMSICHT, è in corso dall'inizio del 2024.
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