I ricercatori di Stanford sviluppano un metodo migliorato per la produzione di idrogeno sostenibile
Questo metodo aumenta di dieci volte l'efficienza energetica rispetto ai metodi di riscaldamento esterni convenzionali
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La produzione di idrogeno è essenziale per soddisfare alcune delle più grandi esigenze industriali e agricole del mondo, ma comporta anche un costo ambientale elevato: la maggior parte dell’idrogeno prodotto oggi viene generato attraverso processi che rilasciano grandi quantità di CO2. Ciò è dovuto a una combinazione di elevati requisiti termici e alle emissioni dirette derivanti dal processo stesso. Ora, i ricercatori di Stanford hanno sviluppato un nuovo metodo altamente efficiente per produrre idrogeno che riduce drasticamente le emissioni di CO₂ e produce un sottoprodotto inaspettato e potenzialmente prezioso.
Il metodo, descritto in un nuovo studio pubblicato su *Science*, utilizza un processo chiamato pirolisi del metano, che scompone il metano in idrogeno gassoso e carbonio solido anziché nella CO₂ gassosa rilasciata dalla produzione convenzionale di idrogeno.
«Oggi utilizziamo il gas naturale per produrre idrogeno, ma in questo modo si produce anche CO₂», ha affermato il coautore principale Henry Moise, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica della Scuola di Ingegneria di Stanford. «La pirolisi è un processo simile, ma invece di produrre CO₂, si produce carbonio solido».
Sfide legate alla scalabilità
La pirolisi del metano è oggetto di studio da anni, ma i ricercatori hanno faticato a portarla oltre la fase di laboratorio a causa di due ostacoli principali: la rimozione del carbonio solido dal reattore e il raggiungimento di una temperatura sufficiente all’interno del reattore per portare a termine il processo. Il nuovo articolo, scritto in collaborazione da Moise e dallo studente tedesco in visita Sebastian Moll, si concentra sulla risoluzione di quest’ultima sfida.
«Se si vuole effettuare la pirolisi alla scala necessaria per soddisfare i mercati dell’idrogeno, allora è necessario realizzare reattori di dimensioni molto grandi», ha affermato l’autore senior Matteo Cargnello, professore associato di ingegneria chimica presso la Stanford Engineering. «Per riscaldare questi reattori a temperature molto elevate, come 1.000 gradi Celsius, i metodi di riscaldamento devono essere estremamente efficienti».
I reattori industriali odierni vengono riscaldati dall’esterno, il che diventa un problema su larga scala. «Si può immaginare che, una volta riscaldato dall’esterno un oggetto davvero grande, sia difficile che il calore penetri fino al centro del reattore», ha spiegato Cargnello.
Per affrontare il problema, Moise e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo per riscaldare il reattore dall’interno. Anziché bruciare gas naturale, che produce CO₂, il team ha scoperto che posizionando un bruciatore all’interno del reattore per bruciare selettivamente una porzione di idrogeno si produce principalmente acqua, evitando emissioni dirette di carbonio e portando avanti la reazione in modo efficiente.
Il risultato, secondo Moise, è un aumento dell’efficienza di circa dieci volte. In altre parole, utilizzando la stessa quantità di energia, un reattore che impiega questo nuovo metodo di riscaldamento autotermico produce la stessa quantità di materiale di altri 10 reattori che utilizzano metodi convenzionali di riscaldamento esterno.
«Si torna all’idea di efficienza. È possibile ridurre le emissioni di CO₂ evitando di produrle in primo luogo, ma è anche possibile ridurle utilizzando l’energia in modo più efficiente», ha affermato Moise. «Esistono quindi diversi modi per rendere un processo più sostenibile».
Vantaggi inaspettati
Oltre ai guadagni in termini di efficienza, i ricercatori hanno scoperto un vantaggio inaspettato del nuovo processo: il carbonio solido prodotto dalla reazione si è rivelato essere grafite di alta qualità, un materiale utilizzato nelle batterie, negli elettrodi e in altre tecnologie.
«Non è che non ci aspettassimo di ottenere del carbonio di qualità superiore, ma si è trattato di un grado di grafitizzazione davvero elevato e di carbonio di altissima qualità», ha affermato Moise, definendolo la sorpresa più grande del progetto.
Cargnello ha sottolineato che la qualità inaspettata del sottoprodotto di carbonio potrebbe aprire la strada alla produzione nazionale di un materiale che gli Stati Uniti attualmente importano dall’estero. Allo stesso tempo, ha avvertito che la grafite prodotta non è ancora abbastanza pura per applicazioni esigenti come i materiali per batterie. «Si tratta di un grande passo avanti», ha affermato, «ma ci sono ancora altre fasi da compiere e ulteriori ricerche da condurre».
Una molecola fondamentale
I ricercatori hanno sottolineato l’importanza di sviluppare processi sostenibili per la produzione di idrogeno, una molecola fondamentale di cui la maggior parte delle persone non si rende conto di dipendere. «Almeno alcuni punti percentuali del PIL dipendono dall’idrogeno, e continueremo a produrlo, che sia inquinante o meno», ha aggiunto Moise.
Ha citato i fertilizzanti come esempio: la produzione di ammoniaca dipende dall’idrogeno e si stima che i fertilizzanti a base di ammoniaca contribuiscano a sfamare circa metà della popolazione mondiale. L’idrogeno aiuta anche a rimuovere lo zolfo dalla benzina durante la raffinazione e contribuisce alla produzione di prodotti importanti come il metanolo. «È talmente onnipresente che in un certo senso diventa invisibile», ha affermato.
I ricercatori sperano che il nuovo processo apra la strada a una produzione di idrogeno economica e pulita e garantisca la sostenibilità di un prodotto che sta alla base di molti beni importanti utilizzati nella vita quotidiana.
Cargnello ha sottolineato che il progetto è stato frutto di uno sforzo collaborativo, mettendo in evidenza i contributi del team di Eric McFarland dell’Università della California, Santa Barbara, che ha fornito dati sui reattori su larga scala; del coautore Arun Majumdar, per aver incoraggiato il team ad approfondire il problema; e di Moll, che ha trascorso sei mesi in laboratorio lavorando al fianco di Moise. Inoltre, le molteplici fonti di finanziamento sono state fondamentali per il successo del progetto, tra cui la Fondazione Kavli, il Carbon Hub della Rice University, la Natural Gas Initiative di Stanford e il Centro di ricerca sul CO₂ dell’Università di Aarhus in Danimarca.
La necessità di collaborazione – e di finanziamenti – continua, ha aggiunto Cargnello, poiché i prossimi passi saranno importanti, tra cui l’ampliamento della ricerca e la verifica della sua applicabilità alla produzione di idrogeno su larga scala.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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