I ricercatori progettano un reattore a membrana ceramica per la produzione di idrogeno

I ricercatori della CoorsTek Membrane Sciences, dell’Università di Oslo, e dell’Instituto de Tecnologica Quimica di Valencia, in Spagna, hanno collaborato per sviluppare una tecnologia di reattori a membrana ceramica per migliorare la produzione di idrogeno. Con questa tecnologia, i ricercatori sono riusciti a creare un metodo per ottenere sia la produzione di idrogeno che la cattura di CO2 in un unico passaggio. Ciò rende il metodo molto più efficiente dal punto di vista energetico.

"I metodi attualmente consolidati hanno livelli di efficienza energetica compresi tra il 70% e il 75%, ma il nostro approccio ha un'efficienza potenziale del 90%", ha spiegato Harald Malerød-Fjeld della CoorsTek Membrane Sciences di Oslo. "Il prodotto finale è idrogeno compresso con un elevato grado di purezza. Il reattore a membrana ceramica separa inoltre l'anidride carbonica in modo più efficiente, consentendo al gas serra di essere facilmente trasportato e sequestrato."

Cinque anni fa il team di ricercatori era appena riuscito a dimostrare i principi fondamentali alla base della produzione di idrogeno utilizzando un approccio nuovo ed altamente efficiente dal punto di vista energetico. Un recente articolo su Science ha ora confermato che il metodo funziona e il team sta ora lavorando per ampliare la tecnologia.

"Si tratta di un passo importante sulla strada per rendere l'idrogeno molto più pratico come combustibile", ha commentato Malerød-Fjeld. "Il processo ha anche un basso impatto ambientale."

CoorsTek Membrane Sciences è specializzata nella produzione di materiali ceramici per la conversione energetica e, insieme a SINTEF, è uno dei partner di ricerca di questo progetto.

La ricerca viene condotta presso le strutture e i laboratori di SINTEF a Oslo, che si trovano nello stesso luogo della sede di CoorsTek Membrane Sciences. Il ricercatore senior Thijs Peters presso SINTEF è uno dei coautori dell'articolo di Science sul nuovo progetto.

"L'aspetto interessante di questa tecnologia è che ha rilevanza sia a breve che a lungo termine", ha aggiunto Peters. "Può essere utilizzato non solo per la produzione di idrogeno blu dal gas naturale, ma anche di idrogeno verde da biogas o ammoniaca come parte di un 'futuro più sostenibile'."

La tecnologia utilizzata per produrre idrogeno dal gas naturale è chiamata steam reforming. Il gas naturale è costituito in gran parte da metano e quando questo reagisce con il vapore si ottengono quattro molecole di idrogeno per ogni molecola di metano. Affinché questa reazione abbia successo, il vapore deve essere fornito a temperature elevate.

Uno dei principali problemi associati allo steam reforming è che il processo richiede energia e si svolge in più fasi. Ha anche CO2 come sottoprodotto. La nuova tecnologia, d’altro canto, non richiede calore esterno per azionare il processo di steam reforming. Una chiave del nuovo processo è che il calore viene prodotto automaticamente quando l’idrogeno viene pompato attraverso la membrana ceramica. In questo metodo il calore viene generato esattamente dove è necessario.

L’elemento più piccolo utilizzato nel nuovo metodo è una cella a combustibile elettrochimica costituita da un cilindro ceramico lungo sei centimetri. Il reattore a membrana ingrandito, descritto nell'articolo di Science, misura 4 x 40 cm. È composto da 36 celle collegate per formare un circuito elettrico continuo.

Il materiale che collega le celle è costituito da una vetroceramica che, come suggerisce il nome, è un composto sia di vetro che di materiali ceramici, come la porcellana. Questo materiale viene poi miscelato con una polvere metallica elettricamente conduttiva.

Secondo CoorsTek Membrane Sciences, lo sviluppo di questo materiale è stato fondamentale per rendere possibile il processo di espansione. La membrana del reattore viene quindi inserita in un tubo di acciaio che mantiene i gas ad alta pressione.

Il segreto della nuova tecnologia risiede nel materiale, chiamato ceramica conduttrice di protoni, che costituisce la membrana che rimuove l'idrogeno dalla miscela di gas.

Quando incontrano il metano (CH4), le molecole di idrogeno si dividono e la membrana scompone i singoli atomi nei protoni e negli elettroni che li costituiscono. I protoni carichi positivamente permeano attraverso la membrana, mentre gli elettroni vengono catturati sugli elettrodi e trasportati attorno alla membrana tramite un circuito elettrico esterno. Quando i protoni e gli elettroni si riuniscono sull'altro lato della membrana, il prodotto è idrogeno puro e compresso.