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L'idrogeno nucleare: un'opportunità per la decarbonizzazione

di Achille de Tommaso

 

In termini generali, si stima che il mondo avrà bisogno di 17 TW aggiuntivi di energia primaria per soddisfare il proprio fabbisogno entro il 2050. L’energia eolica, la biomassa, il solare, il nucleare e il carbone competeranno per colmare questo divario; mentre la quota del mercato petrolifero diminuirà.

La produzione sinergica di idrogeno usando il nucleare può aiutare ad affrontare questo problema, fornendo una fonte di energia pulita e affidabile.

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L’energia nucleare è sempre più riconosciuta come uno dei principali candidati per fornire elettricità sufficientemente economica e “senza emissioni di carbonio” alla rete; ma non fornisce direttamente un carburante, ad esempio per i trasporti, flessibile come la benzina. L’idrogeno prodotto dal nucleare potrebbe aiutare a colmare questa lacuna. Risolvendo anche altri problemi.

L'uso del calore nucleare può, ad esempio, consentire di utilizzare processi di produzione di idrogeno più efficienti. Per produrre idrogeno, infatti, si utilizza spesso il metodo dell’elettrolisi; ma a temperature ambienti. L'elettrolisi a temperature elevate, che utilizza il calore residuo dei reattori nucleari, è invece più efficiente dell'elettrolisi a bassa temperatura basata sulle rinnovabili. Tra l’altro, in questo modo, si sfrutterebbe il calore prodotto dalle centrali, spesso considerato un “inquinante” per le acque dove viene riversato. Studi recenti hanno dimostrato che l'energia nucleare può produrre idrogeno pulito 2 o 3 volte più dell’eolico e 4 o 5 volte più del fotovoltaico.

Infine, altri studi recenti mostrano che una transizione verso combustibili a idrogeno basati su nucleare, rinnovabili e altre fonti, potrebbe essere realizzata con un livello globale di investimenti sostanzialmente inferiore rispetto alla spesa prevista necessaria per mantenere i flussi di combustibili fossili. E con un impatto positivo in alcune produzioni industriali.

Fonte: Office of Nuclear Energy (USA)

 

Per questi motivi, l'idrogeno nucleare sta suscitando un crescente interesse da parte di responsabili politici e delle aziende.

In Europa, la Commissione Europea ha annunciato che considererà l'idrogeno prodotto dall'energia nucleare come "a basso tenore di carbonio" all'interno della strategia europea sull'idrogeno. (v. nota (1) Banca Europea per l’Idrogeno).

La Francia, che è un leader mondiale nell'energia nucleare, ha incluso l'idrogeno nucleare nella sua Strategia Nazionale sull'Idrogeno.

Nel Regno Unito, il Libro Bianco sull'Energia ha identificato il nucleare come un elemento chiave per la decarbonizzazione del sistema energetico.

Giappone: Il Giappone è uno dei paesi leader nella ricerca sull'idrogeno e sull'energia nucleare. Alcune aziende e istituti di ricerca giapponesi stanno esplorando da tempo la possibilità di utilizzare l'energia nucleare per produrre idrogeno verde attraverso l'elettrolisi dell'acqua ad alte temperature.

Corea del Sud: La Corea del Sud, che dipende fortemente dalle importazioni di energia, sta esplorando diverse opzioni per diversificare la sua produzione energetica e ridurre le emissioni di carbonio. Alcune aziende e istituti di ricerca sudcoreani stanno esplorando l'utilizzo dell'energia nucleare per produrre idrogeno verde.

Stati Uniti: Negli Stati Uniti, diverse istituzioni accademiche e aziende stanno conducendo ricerche sull'utilizzo dell'energia nucleare per la produzione di idrogeno verde. Tuttavia, al momento non ci sono progetti specifici su larga scala che siano in fase di implementazione.

Anche le aziende stanno investendo nell'idrogeno nucleare. Ad esempio, EdF ha creato una filiale (Hynamics) per concentrarsi su questo settore, mentre Shearwater Energy sta sviluppando un progetto ibrido di energia eolica, SMR e produzione di idrogeno nel Galles del Nord.

Ci sono diversi metodi per produrre idrogeno utilizzando l'energia nucleare. Ecco alcuni dei principali:

1. Elettrolisi dell'acqua: Questo è uno dei metodi più comuni e ben consolidati per produrre idrogeno utilizzando l'energia nucleare. In questo processo, l'energia nucleare viene utilizzata per alimentare l'elettrolisi dell'acqua, che consiste nell'applicazione di una corrente elettrica all'acqua per separare le molecole di acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2). L'idrogeno così prodotto è considerato "verde".
2. Reforming del metano con cattura e stoccaggio del carbonio (CCS): Questo metodo prevede l'utilizzo dell'idrogeno prodotto mediante il reforming del metano (SMR) insieme alla tecnologia CCS per catturare e immagazzinare le emissioni di carbonio. L'energia nucleare può essere utilizzata per alimentare il processo di reforming del metano, producendo idrogeno con emissioni di carbonio notevolmente ridotte rispetto al processo tradizionale di reforming del metano.
3. Termolisi dell'acqua: La termolisi dell'acqua è un processo che impiega temperature elevate per scomporre direttamente le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno. L'energia nucleare può essere utilizzata per fornire il calore necessario per avviare il processo di termolisi dell'acqua, producendo idrogeno con un'efficienza energetica potenzialmente più elevata rispetto all'elettrolisi dell'acqua.
4. Decomposizione termochimica: Questo metodo sfrutta reazioni chimiche ad alta temperatura per decomporre direttamente il vapore acqueo in idrogeno e ossigeno. L'energia nucleare può essere utilizzata per generare il calore necessario per avviare e sostenere le reazioni chimiche coinvolte nella decomposizione termochimica, producendo idrogeno con elevata purezza. La decomposizione termochimica avviene in diverse fasi:
   1. Riscaldamento: Il vapore acqueo viene riscaldato a temperature molto elevate, tipicamente tra 800°C e 2000°C.
   2. Reazioni chimiche: A queste alte temperature, il vapore acqueo si dissocia in idrogeno e ossigeno attraverso una serie di reazioni chimiche.
   3. Separazione: L'idrogeno e l'ossigeno vengono separati e purificati.
5. Illumination-driven catalytic water splitting: Questo è un metodo ancora in fase di sviluppo che sfrutta la radiazione ionizzante prodotta da sorgenti di energia nucleare per attivare catalizzatori in grado di scomporre l'acqua in idrogeno e ossigeno. Una breve descrizione del metodo è la seguente:

1. Generazione di radiazione ionizzante: Una sorgente di energia nucleare, come un reattore nucleare o un radioisotopo, produce radiazione ionizzante (fotoni o particelle cariche).
2. Attivazione del catalizzatore: La radiazione ionizzante colpisce un catalizzatore, che è un materiale che facilita la reazione chimica di scissione dell'acqua.
3. Scomposizione dell'acqua: Il catalizzatore attivato scompone l'acqua in idrogeno e ossigeno.
4. Separazione: L'idrogeno e l'ossigeno vengono separati e purificati.

Ogni metodo presenta vantaggi e sfide specifiche, e la scelta del metodo dipende dalle considerazioni economiche, ambientali e tecnologiche specifiche di ciascun contesto.

AGGIORNAMENTI AL 2023-2024

La produzione di idrogeno col nucleare, come visto, parrebbe la panacea per tutti i mali (relativi all’energia), tuttavia le maggiori criticità sono viste nel costo e nella sicurezza del processo. Ma la R&D relativa procede, e questi sono alcuni aggiornamenti:

• Ricerca e sviluppo: Nel 2023 e 2024, la ricerca e lo sviluppo sulla produzione di idrogeno mediante energia nucleare hanno fatto notevoli progressi.
  • Nuove tecnologie: Sono stati sviluppati nuovi cicli termochimici e reattori nucleari ad alta temperatura (HTR) per migliorare l'efficienza e la sicurezza del processo.
  • Progetti pilota: Diversi progetti pilota di produzione di idrogeno nucleare sono in corso in tutto il mondo, per testare e ottimizzare le tecnologie in condizioni reali. (5)
• Integrazione con i reattori nucleari: L'integrazione degli impianti di produzione di idrogeno con i reattori nucleari è oggetto di studi approfonditi.
  • Simulazioni: Sono state condotte simulazioni per valutare la fattibilità e l'efficienza di diverse configurazioni di integrazione.
  • Sicurezza: Sono stati sviluppati nuovi protocolli di sicurezza per l'utilizzo dell'energia nucleare nella produzione di idrogeno.
• Costi:
  • Riduzione dei costi: La R&S si concentra sulla riduzione dei costi attraverso l'ottimizzazione dei processi e lo sviluppo di tecnologie più efficienti.
• Sicurezza: La sicurezza rimane una priorità fondamentale.
  • Nuove tecnologie: Le nuove tecnologie nucleari sono progettate con caratteristiche di sicurezza avanzate per la produzione di idrogeno.
  • Regolamentazione: Nuove normative e standard di sicurezza sono in fase di sviluppo per la produzione di idrogeno nucleare.
• Esempi specifici di R&D:

• Ottimizzazione del design del reattore per ridurre i costi di produzione.
• Ricerca su nuovi materiali per la produzione di idrogeno a basso costo.
• Sviluppo di membrane a scambio protonico più efficienti e a basso costo.

 

LINK PER FONTI E PER APPROFONDIMENTI

1. LA BANCA EUROPEA DELL’IDROGENO:

https://eur-lex.europa.eu/legal-content/IT/TXT/HTML/?uri=CELEX%3A52023DC0156

2. Hydrogen and its relationship with nuclear energy https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0149197007001667

 

3. Nuclear and Hydrogen – Synergistic Enablers of Net Zero  https://www.bakermckenzie.com/en/insight/publications/2021/02/nuclear-and-hydrogen-synergistic-enablers-net-zero#:~:text=Firstly%2C%20using%20nuclear%20waste%20heat,to%20low%2Dtemperature%20renewables%2Dbased

 

4. 3 challenges for nuclear hydrogen production

https://www.nuclearinnovationinstitute.ca/post/3-challenges-for-nuclear-hydrogen-production

 

5. Progetti pilota di produzione di idrogeno nucleare:

 1. Progetto H2-NuGen (Canada):

• Integrazione di un impianto di produzione di idrogeno da 1 MW con un reattore nucleare CANDU esistente.
• Obiettivo: Dimostrare la fattibilità tecnica e l'economicità dell'idrogeno nucleare.
• Stato: In fase di sviluppo.

2. Progetto HyS-NL (Paesi Bassi):

• Sviluppo di un sistema di produzione di idrogeno nucleare basato su un reattore ad alta temperatura (HTR).
• Obiettivo: Produrre idrogeno a basso costo per applicazioni industriali.
• Stato: In fase di progettazione.

3. Progetto INL-GenIV (Stati Uniti):

• Valutazione di diverse configurazioni di integrazione per la produzione di idrogeno nucleare con reattori nucleari di Generazione IV.
• Obiettivo: Identificare la configurazione più efficiente e sicura per la produzione di idrogeno nucleare.
• Stato: In fase di studio.

4. Progetto JAEA-HTTR (Giappone):

• Sviluppo di un impianto di produzione di idrogeno da 1 MW basato sul reattore ad alta temperatura HTTR.
• Obiettivo: Dimostrare la produzione di idrogeno nucleare su scala commerciale.
• Stato: In fase di costruzione.

5. Progetto KARE-H2 (Corea del Sud):

• Sviluppo di un sistema di produzione di idrogeno nucleare basato sul reattore a sali fusi KAIST.
• Obiettivo: Produrre idrogeno a basso costo per la mobilità.
• Stato: In fase di progettazione.

6. Progetto NuGen (Regno Unito):

• Sviluppo di un impianto di produzione di idrogeno nucleare da 20 MW.
• Obiettivo: Dimostrare la produzione di idrogeno nucleare su scala commerciale.
• Stato: In fase di pianificazione.

7. Progetto HydS-Gen (Francia):

• Sviluppo di un sistema di produzione di idrogeno nucleare basato sul ciclo zolfo-iodio.
• Obiettivo: Produrre idrogeno a basso costo per l'industria chimica.
• Stato: In fase di studio.

8. Progetto H2-Prod (Germania):

• Sviluppo di un impianto di produzione di idrogeno nucleare da 10 MW.
• Obiettivo: Dimostrare la produzione di idrogeno nucleare su scala commerciale.
• Stato: In fase di pianificazione.

9. Progetto Hydrogen Energy Supply Chain (Australia):

• Sviluppo di una catena di approvvigionamento di idrogeno nucleare.
• Obiettivo: Dimostrare la fattibilità di un sistema di produzione, trasporto e stoccaggio di idrogeno nucleare.
• Stato: In fase di studio.

10. Progetto Hybrit (Svezia):

• Sviluppo di un processo di produzione di acciaio che utilizza idrogeno nucleare.
• Obiettivo: Decarbonizzare l'industria siderurgica.
• Stato: In fase di sviluppo.

Si noti che questo elenco non è esaustivo e nuovi progetti pilota sono in fase di sviluppo in tutto il mondo.