Alla ricerca di un vettore energetico chimico adatto
Un candidato promettente per questo ruolo è l’ammoniaca; una molecola di ammoniaca comprende un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno (per confronto, una molecola di metano ha un atomo di carbonio e quattro di idrogeno). L’ammoniaca può essere sintetizzata da materie prime che abbiamo in abbondanza, cioè acqua e aria, usando energia rinnovabile.
Ammonia, NH3
L’atmosfera terrestre è circa il 78% di azoto e questo può essere facilmente separato dall’aria. L’idrogeno può essere ottenuto dall’acqua, attraverso un processo chiamato elettrolisi. Una volta che l’idrogeno e l’azoto sono prodotti, possono essere combinati in una reazione standard industriale chiamata processo Haber-Bosch per produrre ammoniaca. Se l’energia rinnovabile viene usata per alimentare questi processi, allora quell’energia viene bloccata nella molecola di ammoniaca, senza alcuna emissione diretta di carbonio.
La produzione di ammoniaca è già di 180 milioni di tonnellate/anno per un valore di 80 miliardi di euro
L’ammoniaca, o NH3 per darle il suo nome chimico corretto, è già un prodotto chimico importante. L’attuale produzione globale annuale è di circa 180 milioni di tonnellate all’anno, con un valore di mercato di circa 80 miliardi di euro all’anno.
Oggi, oltre l’80% di questa ammoniaca è usata nell’industria dei fertilizzanti, ma ci sono altri usi molto più ampi per essa nell’ambito della transizione energetica. Gode di proprietà di stoccaggio simili al gas di petrolio liquefatto (GPL), in quanto si liquefa a -33 gradi Celsius a pressione ambiente e a circa 10 bar a temperatura ambiente. Sebbene l’ammoniaca comporti un significativo rischio di tossicità, attrezzature adeguate e procedure di manipolazione sicure sono state ben stabilite nel corso di decenni di produzione su scala industriale.
L’ammoniaca viene prodotta in grandi quantità in tutto il mondo per i fertilizzanti agricoli, ma attualmente utilizza gas naturale o altri combustibili fossili per fornire sia la materia prima idrogeno che l’energia per alimentare il processo di sintesi. Gli attuali impianti di produzione dell’ammoniaca sono uno dei principali emettitori di CO2, rappresentando circa l’1,6% delle attuali emissioni globali.
L’idrogeno verde aumenta il potenziale dell’ammoniaca
Sebbene sia conveniente per gli attuali usi industriali dell’ammoniaca, l’uso di materie prime fossili e fonti di energia significa che l’ammoniaca non ha ancora giocato un ruolo come vettore energetico – ma questo sta cambiando ora. Passando all’idrogeno verde, cioè all’idrogeno prodotto con energia rinnovabile attraverso l’elettrolisi dell’acqua, le emissioni di carbonio derivanti dalla produzione di ammoniaca possono essere annullate.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Con sede al Rutherford Appleton Laboratory nel Regno Unito, il Siemens Green Ammonia Demonstrator riunisce tutte le tecnologie necessarie per dimostrare il ciclo energetico completo dell’ammoniaca. L’idrogeno verde viene prodotto utilizzando un elettrolizzatore da 13 kilowatt (kW), che produce 2,4 metri cubi normali all’ora (Nm3/hr) di idrogeno. L’azoto è ottenuto da un’unità di separazione dell’aria da 7 kW, che sfrutta il principio del Pressure Swing Absorption per produrre 9 Nm3/ora di azoto. L’elettricità rinnovabile è fornita da una turbina eolica di 20kW situata nel sito del test.
L’idrogeno e l’azoto sono combinati per produrre ammoniaca attraverso un’unità di sintesi Haber-Bosch costruita su misura con una capacità di 30kg di ammoniaca al giorno. L’ammoniaca è immagazzinata come liquido pressurizzato in un serbatoio della capacità di 350 kg, e poi usata per alimentare un gruppo elettrogeno alternativo ad accensione a scintilla da 30 kWe. L’intero sistema è gestito da un sistema di controllo PCS7 della Siemens per il funzionamento non presidiato.
Lo scopo del dimostratore è quello di dimostrare che non solo questo processo potrebbe essere utilizzato per ridurre drasticamente le emissioni dalla produzione di ammoniaca per usi convenzionali, ma che l’ammoniaca può anche essere un vettore pratico di energia a idrogeno, riducendo ulteriormente le emissioni di CO2 nei nostri sistemi energetici fornendo lo stoccaggio di energia rinnovabile su scala.
La tecnologia di scale-up è già provata e testata
Un particolare vantaggio dell’ammoniaca è che la tecnologia necessaria per utilizzarla come vettore energetico esiste già alla scala richiesta: i processi industriali di separazione dell’aria per produrre azoto sono di routine; l’elettrolisi dell’acqua è stata eseguita su base industriale prima che il reforming del metano a vapore diventasse una fonte più economica di idrogeno; serbatoi e cisterne di ammoniaca su larga scala sono stati in servizio per decenni. Fritz Haber ha vinto il suo premio Nobel per la sintesi dell’ammoniaca dai suoi elementi nel 1918; Carl Bosch è stato riconosciuto per i suoi sforzi di sviluppare questo processo su scala industriale con un premio Nobel nel 1931; e l’infrastruttura per sostenere l’industria dell’ammoniaca è stata ottimizzata su base continua da allora.
Energia chimica contro le batterie
Mi viene spesso chiesto quale tecnologia di stoccaggio sia la “migliore” soluzione per l’energia rinnovabile, la mia risposta è che abbiamo bisogno di implementare una gamma di tecnologie di stoccaggio che sono appropriate per una data applicazione. Le batterie hanno un ruolo importante da svolgere, ma uno svantaggio è che il costo di stoccaggio con le batterie è lineare: se hai bisogno del doppio della capacità, allora sono due batterie.
Quando si tratta di stoccaggio di energia chimica, per prima cosa puoi disaccoppiare la potenza e l’energia. Si può scegliere la turbina a gas per fornire la potenza richiesta, poi per quanto tempo si vuole far funzionare quel motore determina la dimensione del serbatoio necessario. Se vuoi una grande capacità di energia, hai solo bisogno di rendere il serbatoio più grande, il che è relativamente economico – in particolare su larga scala.
Il futuro dell’ammoniaca
Per immagazzinare grandi quantità di energia, i combustibili chimici forniscono un mezzo denso di energia e conveniente – ecco perché sono onnipresenti oggi. La sfida con i combustibili che usiamo ora sono le emissioni di carbonio che risultano dalla loro combustione. Un modo di pensare all’ammoniaca è che risolve l’enigma di sostituire i combustibili a base di idrocarburi con qualcosa che non contiene carbonio, superando anche le sfide dello stoccaggio e della distribuzione di idrogeno all’ingrosso. Una delle cose allettanti dell’ammoniaca è che oggi c’è un’industria dell’ammoniaca molto consolidata.
Sono stati fatti molti studi sul nostro futuro sistema energetico e mentre questi sono utili e informativi, arriva un momento in cui bisogna iniziare a costruire e testare i sistemi per conoscere i problemi del mondo reale nella loro implementazione. E per l’ammoniaca come vettore di energia verde penso che quel momento sia ora.
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Ian Wilkinson è un Programme Manager di Siemens Gas & Power