Considerazioni sul processo SE-SMR

I reattori a letto fluido circolante forniscono i sistemi ideali per il trasporto del sorbente rigenerato ed esausto tra il reattore di produzione dell’idrogeno e lo stadio di rigenerazione. Inoltre permettono il reintegro e l’estrazione di sorbente, e la derivazione di una parte dello stesso per la riattivazione a vapore. Un processo commerciale dovrebbe quindi assomigliare allo schema riportato in Figura 2.19:

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Figura 2.19 Rappresentazione schematica di un possibile processo SESMR per la produzione di H2, realizzato con due letti fluidi circolanti e ri-attivazione del sorbente attraverso vapore,

[14].

Sono stati inoltre proposti reattori a letto fisso, con uno switch periodico tra lo stadio di produzione di H2 e lo stadio di rigenerazione. È tuttavia probabile, che

alcuni problemi come l’utilizzo di grandi valvole ad elevate temperature, sottoposte ad un periodico scambio, possano limitare l’utilizzo dei letti fissi su taglie ridotte.

La temperatura richiesta per la rigenerazione dipende dalla pressione parziale di CO2 nel reattore. Se è richiesto il sequestro, è necessario che la

corrente gassosa nel reattore sia essenzialmente CO2 pura, o una miscela

vapore-CO2 dato che il vapore può essere separato per condensazione

successivamente. L’energia richiesta per questo stadio può essere fornita sia per contatto diretto con il sorbente esausto sia indirettamente attraverso una superficie di scambio termico. L’effettivo modo di operare dipende dall’uso che si vuol fare dell’idrogeno prodotto e sulla rilevanza della cattura all’interno dell’intero processo. Un esempio può essere quello di produrre energia elettrica utilizzando idrogeno prodotto con una cella combustibile a ossidi solidi (SOFC). I gas esausti provenienti dalla SOFC, essendo ad elevata temperatura, sono utilizzati per la rigenerazione del sorbente. Se viene usata una miscela CO2-vapore, la rigenerazione può essere condotta senza ulteriori emissioni di

carbonio in quanto il calore necessario può essere fornito dalla combustione di metano in ossigeno puro. Se la rigenerazione è fatta in una corrente pura di CO2, in modo da evitare emissioni di carbonio, sarà necessario fornire calore,

tramite la combustione di una parte dell’idrogeno prodotto, attraverso una superficie di scambio. La rigenerazione si presenta perciò come un’operazione tutt’altro che banale. Sia perché la richiesta energetica è notevole sia perché, se è richiesta la cattura della CO2, è necessario operare una ossicombustione.

55 L’ossicombustione richiede una corrente di O2 puro a cui sono associati elevati

costi energetici (ASU), inoltre bisogna evitare picchi di temperatura eccessivi sulle superfici di scambio, tipici della combustione in ossigeno.

Recenti pubblicazioni [22] [23] hanno messo in evidenza come il processo di produzione di H2 sfruttando un sorbente, possa essere confrontato con i

processi classici sul piano dell’efficienza. Per quanto riguarda le efficienze termiche del solo processo chimico si parla di 86% per il caso standard senza cattura della CO2, da confrontare con l’88% presente in letteratura. L’efficienza

netta per il processo con sorbente a base di calcio, in presenza di cattura si attesta intorno al 79%, 8 punti in più rispetto ai processi tradizionali. Per il processo accoppiato alla produzione di energia elettrica si ha un’efficienza netta di 52.6%, con il 93% di conversione del metano e l’88% di efficienza di cattura. Questo va confrontato con l’efficienza standard del 57% per un ciclo combinato a gas naturale, che però si riduce a 48% in presenza di cattura usando una tecnologia postcombustione a base di MEA.

Riassumendo, questo processo combina il reforming degli idrocarburi, la reazione di shift e la separazione della CO2 per produrre idrogeno in un

processo a stadio singolo. Le reazioni combinate, avvengono in presenza di una miscela di catalizzatore per il reforming e di sorbente per la CO2. Questo

processo racchiude diversi potenziali vantaggi rispetto al processo tradizione come una migliore efficienza energetica e una riduzione dei costi grazie alla semplificazione impiantistica. Sono necessari solo due reattori: uno per la produzione di idrogeno e un altro per la rigenerazione del sorbente. Il reattore per lo shift non è necessario. In relazione alle condizioni operative, la percentuale di H2 nei prodotti varia tra 95-98%, con una presenza solo in tracce

di CO. Gli acciai alto-legati richiesti per resistere alle elevate temperature che caratterizzano il processo classico di reforming, possono essere sostituiti con materiali meno costosi. Infine, in alcune configurazioni di processo, è possibile ottenere una corrente di CO2 pure all’uscita dello stadio di rigenerazione.

Sono stati studiati diversi sorbenti per l’anidride carbonica quali gli ossidi a base di calcio, K-HTC, e ossidi misti di litio e sodio. Gli ossidi di calcio, derivanti da precursori come il calcare o la dolomite, hanno il vantaggio di essere ampiamente disponibili e poco costosi. Posseggono una elevata capacità di assorbimento e reagiscono rapidamente in un intervallo ampio di temperatura e pressione. Il principale svantaggio è però legato all’elevata temperatura richiesta per lo stadio di rigenerazione. La notevole differenza tra la temperatura di produzione dell’idrogeno e quella di rigenerazione incrementano notevolmente la richiesta di energia e, inoltre, l’elevata temperatura favorisce la sinterizzazione del sorbente con conseguente perdita di attività.

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Sono stati condotti anche degli studi sugli HTC (Hydrotalciti), membri della famiglia degli idrossidi che, quando sono drogati con il carbonato di potassio, possono servire come sorbenti per la CO2 ad elevate temperature. Reagiscono

rapidamente però hanno una capacità di assorbimento inferiore rispetto agli ossidi di calcio, inoltre sono più costosi. Il loro vantaggio risiede nel fatto che richiedono meno energia per la rigenerazione a temperatura inferiore, questo si dovrebbe tradurre in una migliore durata del sorbente.

Recentemente si è poi generato un nuovo interesse per sorbenti basati su miscele di ossidi metallici di litio e sodio ( Li2ZrO3 Li4SiO4 e Na2ZrO3), da una

parte per il desiderio di trovare dei sorbenti che si rigenerino a più bassa temperatura, dall’altra per cercare di ottenere una maggior capacità di assorbire la CO2. A causa delle più sfavorevoli proprietà termodinamiche di

questi sorbenti, la pressione parziale di equilibrio della CO2 è maggiore e la

concentrazione dell’H2 nei prodotti risulta inferiore rispetto a quella ottenibile

con sorbenti a base di calcio alle medesime condizioni operative.