Produzione di idrogeno da idrocarburi: reforming, reazioni

I processi industriali per la produzione di idrogeno si basano prevalentemente sui metodi di reforming di idrocarburi quali metano e propano, gas naturale che contiene metano e altri idrocarburi  con processi termici. La produzione di idrogeno può avvenire tramite percorsi a basse emissioni di carbonio utilizzando diverse risorse oltre a quelle non rinnovabili anche tramite la scissione dell’acqua utilizzando energia nucleare e fonti di energia rinnovabili, come energia eolica, solare, geotermica e idroelettrica e dalla biomassa tramite processi biologici.

A tale scopo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) supporta la ricerca e lo sviluppo di un’ampia gamma di tecnologie per la produzione di idrogeno in modo economico e tramite percorsi net-zero-carbon. La produzione di idrogeno può avvenire quindi sfruttando l’energia rinnovabile o nucleare, o combustibili fossili che utilizzano la cattura del carbonio e tali metodi possono aiutare a decarbonizzare una serie di settori, tra cui il trasporto a lungo raggio, i prodotti chimici e il ferro e l’acciaio, dove si è dimostrato difficile ridurre le emissioni.

Reforming

I processi industriali per la produzione di idrogeno si basano quasi esclusivamente sui metodi di reforming degli altri idrocarburi; la maggior parte dei grossi impianti fanno uso del reforming catalitico con vapore acqueo di metano, propano, gas di raffineria, benzina o di ossidazione parziale di olio combustibile.

Reazioni nel reforming per la produzione di idrogeno

Secondo tale processo una miscela di idrocarburi e di vapore d’acqua è convertita, grazie all’uso di opportuni catalizzatori a base di nichel, in una miscela di idrogeno e di ossidi di carbonio secondo le reazioni:

C_nH_2n+2 + n H₂O → n CO + (2n+1) H₂

C_nH_2n+2 +2 n H₂O → n CO₂ + (3n+1) H₂

 Poiché queste reazioni decorrono in condizioni di equilibrio, il loro grado di avanzamento dipende in maniera assai sensibile dalla:

• pressione
• temperatura
• concentrazione dei reagenti.

Una delle caratteristiche del processo è che i gas caldi provenienti dall’unità di reforming sono usati sia per produrre tutto il gas necessario al processo sia per preriscaldare i gas di alimentazione che, prima di entrare nel forno di reforming, sono fatti passare nell’unità di desolforazione.

Le condizioni tipiche di reforming del metano o di idrocarburi leggeri sono: pressione fino a oltre 14 kg/cm² e temperatura del gas in uscita tra 650 e 870 °C.

Nei casi in cui l’idrogeno debba essere usato sotto forma di gas ad alta pressione, il reforming può essere tuttavia condotto a più alta pressione. Il gas proveniente dal forno di reforming viene quindi inviato all’unità di conversione di monossido di carbonio, che deve provvedere a ridurne la concentrazione.

I metodi di purificazione più comunemente usati sono quello della conversione catalitica del monossido di carbonio e quello del lavaggio con soluzioni di sali di rame. Nel primo caso il gas è fatto passare su un catalizzatore a 200°C sul quale il monossido di carbonio reagisce con vapore acqueo (CO-shift):

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Il biossido di carbonio viene quindi rimosso per lavaggio alcalino. Il rendimento è del 90-95% cosicché con due passaggi successivi il monossido di carbonio può essere del tutto rimosso.

Il secondo metodo è particolarmente indicato per la purificazione di idrogeno sotto pressione (100-150 kg/cm²) e impiega soluzioni di formiato ammonico rameoso.

Prima di essere immesso in rete il gas è ulteriormente purificato dalle tracce residue di monossido di carbonio per mezzo di un ultimo stadio di metanazione. In questo stadio sia il monossido che il biossido di carbonio sono fatti reagire con una piccola quantità di idrogeno prodotto secondo le reazioni:

CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O

CO₂ + 4 H₂ → 2 CH₄ +2 H₂O

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