Da metanolo a idrogeno: impianto dimostrativo per la fornitura di energia elettrica fuori rete con l'uso di reformer a vapore
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Presso il centro tecnico dell'Istituto Leibniz per la catalisi (LIKAT) di Rostock, un reformer a vapore di metanolo alimenta una cella a combustibile con idrogeno di elevata purezza in funzionamento continuo e a temperature relativamente basse. Si tratta del primo impianto dimostrativo a bassa temperatura per processi di questo tipo, non molto più grande di un armadio e quindi sufficientemente compatto per rifornire, ad esempio, aree regionali con energia elettrica neutrale dal punto di vista climatico e non collegata alla rete. L'impianto è stato sviluppato in collaborazione con l'Università Friedrich-Alexander (FAU) di Erlangen-Norimberga, lo sviluppatore del progetto ATI Küste e due società di automazione e impiantistica della Sassonia-Anhalt e di Berlino.
L'impianto ha superato il test funzionale con 800 ore di funzionamento continuo. Secondo il coordinatore del progetto, il chimico LIKAT Dr. Sebastian Wohlrab, l'impianto utilizza il reformer per convertire cataliticamente il metanolo e l'acqua in idrogeno (H2), che a sua volta viene purificato direttamente e quindi alimenta una cella a combustibile collegata.
Il progetto congiunto, denominato MEGA (MEthanol reformer with innovative gas purification), è stato finanziato dal Ministero federale dell'Economia. L'impianto dimostrativo fa parte di un concetto sostenibile per la fornitura di energia elettrica a impatto climatico zero, soprattutto nelle aree rurali. "È indipendente sia dalla rete elettrica che dal vento e dalla luce solare", afferma il Dr. Henrik Junge, sotto la cui guida sono stati sviluppati i catalizzatori necessari alla LIKAT.
Stoccaggio chimico dell'idrogeno
L'idrogeno da fonti rinnovabili ha un grande potenziale per la transizione energetica, ma si rivela ancora difficile da trasportare e stoccare, come spiegano Wohlrab e Junge. In alternativa, l'H₂ può essere immagazzinato chimicamente nel metanolo, che è molto più facile da trasportare e immagazzinare rispetto all'idrogeno gassoso.
"L'idea alla base del nostro concetto è quella di chiudere un ciclo", spiega il Dr. Junge. Da un lato, si tratta di generare idrogeno attraverso l'elettrolisi, utilizzando energia eolica e solare, e di immagazzinarlo con CO₂ nel metanolo. Dall'altro, si tratta di recuperare l'idrogeno dal metanolo durante i periodi di calma di vento e di buio e di utilizzarlo nelle celle a combustibile per generare elettricità. Il progetto, ora completato, si è concentrato sulla seconda fase, il rilascio di idrogeno ad alta purezza attraverso il reforming a vapore a bassa temperatura, e ora dimostra la praticità del processo.
Secondo i due chimici, sarà presto possibile produrre il metanolo direttamente al LIKAT a partire dall'anidride carbonica, realizzando così il ciclo completo di stoccaggio e utilizzo dell'energia chimica a impatto climatico zero basato sull'idrogeno. Il nuovo impianto di sintesi del metanolo è già in costruzione nel centro tecnico, a pochi metri dal reformer a vapore.
Sistema bicatalitico a base di rutenio
Il reformer a vapore del metanolo presenta diversi vantaggi rispetto ai processi convenzionali. "Innanzitutto, grazie a un nuovo sistema bi-catalitico basato sul rutenio, siamo riusciti a mantenere la temperatura del reattore al di sotto dei 150 gradi Celsius", spiega Henrik Junge. Finora la norma era rappresentata da temperature molto più elevate".
La seconda particolarità è l'elevata purezza dell'idrogeno prodotto. Normalmente, l'idrogeno prodotto da questi processi contiene quantità dirompenti di CO₂ e monossido di carbonio (CO). Il monossido di carbonio, in particolare, ha un effetto negativo sul funzionamento e sulla durata delle celle a combustibile, come spiega il Dr. Junge. Per le celle a combustibile a bassa temperatura, attualmente le più potenti nel loro genere, il contenuto di CO non deve superare i dieci ppm (parti per milione). Sebastian Wohlrab: "Il nostro impianto rispetta sempre i parametri richiesti grazie a un adsorbitore integrato".
Contributo di diverse aree di competenza
LIKAT ha riunito un'ampia gamma di competenze per portare a termine con successo questo progetto comune. I catalizzatori utilizzati, complessi di rutenio, sono il cuore del reformer e sono stati sintetizzati e ottimizzati principalmente da uno studente di dottorato dell'istituto, Hendrick Kempf. I chimici di processo della FAU Erlangen-Nürnberg hanno migliorato il catalizzatore per il processo continuo applicandolo a un supporto solido in fase liquida utilizzando tecnologie speciali. Secondo il Dr. Junge, i due tubi del reattore dell'impianto contengono "sette chilogrammi di ossido di alluminio drogato con 130 grammi dei nostri catalizzatori di rutenio".
ATI Küste GmbH ha combinato due materiali adsorbenti in un adsorbitore compatto ad oscillazione di pressione che rimuove l'idrogeno da CO2 e CO. Per non superare il valore limite di CO nel processo successivo, i chimici hanno collegato un piccolo reattore a turni come modulo protettivo aggiuntivo per la cella a combustibile.
L'azienda berlinese Sigmar Mothes Hochdrucktechnik (HDT) ha costruito i componenti chiave dell'impianto dimostrativo. Il sistema di controllo completo dell'impianto è stato sviluppato dal produttore di sistemi di automazione GESA di Teuchern, in Sassonia-Anhalt. Il Dr. Wohlrab è stato responsabile dell'installazione dell'impianto presso il centro tecnico LIKAT. Sotto la supervisione del Dr. Stefan Peters e della Dr.ssa Alejandra Carbajal, dipendenti del suo dipartimento, l'impianto è stato infine messo in funzione. L'impianto è stato sottoposto a test basati su vari scenari, tra cui l'aggiunta di metanolo e acqua e il regime di temperatura. La prova è stata monitorata durante il funzionamento a turni.
Una speranza per la transizione energetica
Dr. Junge: "Sulla base di questi risultati, le aziende sono ora in grado di sviluppare un prodotto sostenibile con la nostra assistenza". A parte la manutenzione occasionale, un impianto del genere funzionerebbe in modo indipendente.
"Una quindicina di anni fa, c'erano solo pochi gruppi che lavoravano sui fondamenti dello stoccaggio chimico dell'idrogeno per il futuro approvvigionamento energetico". Oggi, numerosi laboratori in tutto il mondo lavorano in questo campo. Concetti come questo rappresentano la speranza globale di un approvvigionamento energetico neutrale dal punto di vista climatico.
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