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Contatti Produzione di H2 per via
nucleare mediante steam reforming G. LOMONACO1,
P. ROCCHI2, V. ROMANELLO3 1Dipartimento di Energetica, Università degli Studi di Pisa, via Diotisalvi, 2 – 56126 Pisa, Italia 2Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Pisa, via Diotisalvi,
2 – 56126 Pisa, Italia 3Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Università degli Studi di
Lecce, via per Arnesano – 73100 Lecce, Italia 1.
INTRODUZIONE
Dato
il continuo aumento della popolazione terrestre (oggi la popolazione mondiale
si aggira intorno a 6 miliardi di abitanti, secondo alcune proiezioni
dovrebbe sfiorare gli 8 miliardi nel 2030) e quindi della domanda di energia
(anche perché un adeguato approvvigionamento energetico fa parte dei più
elementari diritti umani) sono divenute sempre più importanti (e sempre più
lo diverranno) negli ultimi anni le preoccupazioni mondiali nell’ambito dei
rifornimenti energetici e dell’impatto ambientale antropogenico. In tal senso
appare evidente che l’opzione nucleare potrà contribuire significativamente
alla risoluzione del problema. Negli
ultimi anni l'idrogeno ha focalizzato l’attenzione della comunità scientifica
date la sua abbondanza (anche se non allo stato libero) ed il suo ridotto
impatto ambientale nella produzione energetica (sia nei motori a combustione
interna che nella emergente tecnologia delle celle a combustibile). È possibile
infatti realizzare motori a combustione interna che oltre a non emettere
particolato, CO, CO2, SO2, ed idrocarburi incombusti ha
anche bassissime emissioni di NOx (grazie alla diminuzione della
temperatura della fiamma). Le celle a combustibile non presentano alcun tipo
di emissioni. I problemi nell’utilizzo di questa fonte energetica riguardano
l’accumulo ed il trasporto (l’idrogeno è un gas molto leggero, difficilmente
liquefabile). Infatti
si deve sempre ricordare che l’idrogeno è un vettore energetico e non una
fonte di energia. L’energia necessaria per la sua produzione deve, pertanto, essere fornita da qualche
altra fonte primaria. Attualmente
il sistema più diffuso prevede il ricorso ai combustibili fossili, in
particolare al gas naturale. Dato il basso prezzo attuale di quest’ultimo
l’idrogeno attualmente viene prodotto principalmente per questa via (Steam
Reforming con vapore). Si deve rammentare però che innanzitutto tale fonte
non è rinnovabile, emette importanti quantitativi di emissioni di gas serra
(circa 10 Kg per Kg di idrogeno prodotto), ed inoltre che per paesi come il
nostro non contribuisce al raggiungimento dell’indipendenza energetica e
della diversificazione delle fonti. In
tal senso il calore nucleare prodotto dal Reattore ad Alta Temperatura (HTR)
può fornire un significativo aiuto in quanto fonte di calore ad alta
temperatura a buon prezzo ed esente da emissioni di gas serra (si ricordi che
attualmente circa il 45% del metano utilizzato nello steam reforming viene
utilizzato per produrre il calore necessario per la reazione). Tuttavia
bisogna ricordare che il gas naturale ha subito notevoli variazioni di prezzo
negli anni, e che secondo alcune stime il suo prezzo continuerà a crescere.
Se inoltre le preoccupazioni ambientali in merito al riscaldamento globale
legato in particolare alle emissioni di CO2 prevarranno (e
pertanto verrà introdotta una carbon tax) il prezzo dell’idrogeno prodotto
con processi nucleari potrebbe nel breve periodo essere paragonabile, o
addirittura inferiore, a quello prodotto con i sistemi tradizionali attuali. Nell'ambito
del presente lavoro si è preso in considerazione l'apparato sperimentale,
utilizzato dalla JAERI per la produzione di idrogeno con il processo di steam
reforming, per svolgere un'analisi preliminare di sicurezza mirante alla
determinazione dei punti critici dello stesso ai fini della sicurezza. In
seguito sono state anche considerate le conseguenze di una ipotetica sequenza
incidentale che prevedesse la fuoriuscita di idrogeno nelle condizioni
fisico-chimiche nelle quali si trova all'interno dell'impianto. 2. steam
reforming del metano per la produzione di H2 e metanolo Questa
tecnologia è un sistema ampiamente sperimentato ed economico per produrre idrogeno.
Probabilmente sarà uno processi più importanti per la produzione di questo
vettore energetico nei prossimi anni. Le reazioni chimiche di base per il
processo sono:
In
particolare per la seconda reazione stechiometrica (in cui una molecola di
metano reagisce con due di vapore acqueo fornendone una di anidride carbonica
e quattro di idrogeno) si liberano 7 Kg di CO2 per Kg di H2
prodotto. Nella
Figura 1 sono sintetizzati i parametri del processo ed in particolare il
rendimento della conversione del CH4 nel reforming in funzione
della temperatura e del rapporto H2O/CH4.
Figura 1 3. steam reforming per via nucleare
Le
reazioni di formazione dell’idrogeno sono endotermiche e, nei processi
tradizionali, occorre bruciare combustibili fossili per fornire il calore
richiesto. I reattori HTR potrebbero fornire il calore necessario alla
reazione con un notevole risparmio di risorse e una diminuzione
dell’emissione di gas ad elevato impatto ambientale. La
JAERI ha effettuato una serie di studi per verificare la possibilità di
utilizzare questo processo accoppiato al reattore HTTR. I test dell’impianto
sperimentale sono previsti per il 2007. I punti fondamentali dello studio
riguardano la possibilità di utilizzare un reformer di nuova concezione e un
generatore di vapore a convezione naturale integrato con uno condensatore ad
aria a circolazione naturale. Particolar attenzione è stata posta nello sviluppo
e nella progettazione dei concetti di sicurezza, in particolare per ciò che
riguarda gli incendi e le esplosioni che si possono originare nell’impianto.
Il diagramma di flusso dell’impianto è riportato nelle Figura 2.
Figura 1 Il
programma New Sunshine avviato in Giappone nel 1993 prevedeva una serie di
studi sui possibili sistemi per la produzione di idrogeno. All’interno di
questo programma è stata studiata la possibilità di utilizzare un reattore
HTGR per fornire il calore necessario per il processo di Steam Reforming
ottenendo un elevato rendimento del processo e azzerando le emissioni di CO2.
Questo processo è in grado di produrre vettori energetici a basso impatto
ambientale riducendo al contempo l’inquinamento ambientale. La JAERI ha
studiato la possibilità di accoppiare il reattore HTTR ad un impianto per la
produzione di idrogeno e metanolo. Il processo analizzato presenta le
seguenti caratteristiche: -
È altamente probabile la fattibilità di un siffatto sistema in quanto
coinvolge tecnologie sperimentate e conosciute; -
Dimostrare la fattibilità dell’accoppiamento tra lo steam reforming e il
reattore HTTR aprirebbe la strada ad altre sperimentazioni nel campo dello
sfruttamento del calore ottenuto per via nucleare; -
Lo steam reforming tramite impianto nucleare come mezzo per la produzione di
idrogeno senza emissione di CO2 potrebbe essere il punto di
partenza per la transizione a uno scenario energetico basato sull’utilizzo
dell’idrogeno come principale vettore energetico in luogo dei combustibili da
idrocarburi; -
Alcune delle tecnologie necessarie sono già state sviluppate nel corso di
altre campagne di studio. Lo
schema semplificato del sistema è riportato nella seguente Figura 3.
Figura 2 I
parametri del sistema sono riportati nella Figura 4 (diagramma di flusso del
processo di steam reforming accoppiato al reattore HTTR) e nella tab. 1.
Figura 3
Tabella 1 Questo sarà probabilmente il primo fra i primi processi con cui il calore di origine nucleare verrà utilizzato per produrre idrogeno, essendo questa tecnologia ormai ben conosciuta e collaudata. Questo processo su scala industriale richiede temperature dell’ordine degli 800°C e pressioni di 2.5 MPa, con rendimenti variabili dal 50% al 70% (In realtà la reazione si innesca già a temperature dell'ordine di 620 °C, ma la cinetica di quest'ultima migliora all'aumentare della temperatura. D'altro canto esistono delle limitazioni sulla temperatura massima legate alle caratteristiche meccaniche dei materiali usati nel corso del processo stesso. Pertanto l'attuale punto di equilibrio fra le due opposte esigenze si colloca intorno agli 800°C). Nella Figura 5, Figura 6 e Figura 7 sono riportati alcuni schemi di produzione dell’idrogeno per Steam Reforming mediante il reattore HTTR.
Figura 4
Figura 5
Figura 6 Nella Tabella 2 è rappresentato un confronto tra le condizioni operative del processo di reforming di produzione dell’idrogeno nel campo convenzionale a combustibile fossile e nel sistema nucleare HTTR
Tabella 2 Nella Figura 8a e Figura 8b sono rappresentati alcuni esempi di reformer per gli impianti HTR.
Figura 7a
Figura 8b Nella Figura 9 seguente sono rappresentati i risultati dei test in termini di produzione oraria di idrogeno nell'impianto sperimentale della JAERI.
Figura 9 In
tutti i processi di produzione industriale dell'idrogeno che presuppongano
l'utilizzo di impianti chimici associati a quelli nucleari, appare opportuna
la separazione degli stessi. L’idea di fondo è quella di disaccoppiare
l’impianto chimico da quello nucleare, per motivi di sicurezza
(contaminazione dell’idrogeno con sostanze radioattive, in particolare il
tritio, e penetrazione di agenti corrosivi all’interno del reattore
nucleare), attraverso l’uso di uno scambiatore di calore intermedio (IHX,
Intermediate Heat Exchanger), (Figura 10).
Figura 10 Il
fluido vettore più usato è l'elio, ma in linea di principio si potrebbero
utilizzare anche CO2, Ar, Ne, N2, vapore. L'utilizzo di
questo componente consente pertanto di: -
minimizzare la contaminazione della parte chimica (che può pertanto essere
posta all'esterno del contenimento del reattore) -
prevenire l'ingresso di acqua e/o gas di processo nel nocciolo in caso di
rottura delle tubazioni di scambio -
ridurre i fenomeni di permeazione dell'idrogeno nell'elio del circuito
primario e del tritio nella direzione inversa Dal punto di vista meccanico-strutturale le pareti dell'IHX dovrebbero essere realizzate con materiali che resistano molto bene alle alte temperature. Inoltre tali materiali dovrebbero presentare buone caratteristiche di resistenza al creep ed alla fatica, così come un'adeguata resistenza all'insorgenza di fenomeni di instabilità elastica. Le tensioni primarie e secondarie in tale tipo di componenti dovrebbero essere mantenute quanto più basse possibile. Fra le leghe commercialmente disponibili rispondenti a tali particolari specifiche (INCONEL 617, lega a base di Ni-Cr-Co-Mo tipicamente utilizzata nelle turbine a gas – HASTELLOY X, ega a base di Ni-Cr-Mo sviluppata per l'utilizzo nelle turbine a gas – INCOLOY 800H, lega a base di Fe-Ni-Cr utilizzata per i generatori di vapore in campo nucleare) quella che maggiormente si presta all'utilizzo prolungato nel tempo previsto (~100000 ore) è risultata essere l'INCONEL 617. Visto l'alto costo di tale lega e le elevate temperature in gioco, è in corso lo sviluppo di nuovi materiali, per lo più ceramici. Occorre
comunque tener presente che la JAERI ha effettuato solo un test in scala
1:30, simulando la parte nucleare dell’impianto con un riscaldatore elettrico
da 380kW per portare l’elio del circuito secondario fino a 880°C. Uno schema
semplificato dell’apparato di prova è riportato in Figura 11.
Figura 11 4.
Analisi preliminare di sicurezza della produzione di H2 con
il reattore HTTR Ai
fini dell'effettuazione di un'analisi preliminare di sicurezza, si è
preferito usare una metodologia FMEA piuttosto che HAZOP sostanzialmente per
due motivi: · non tutti i dati necessari allo
svolgimento di un'analisi HAZOP erano disponibili e/o reperibili; · l'unico apparato fino ad oggi realmente
costruito e funzionante ha il carattere di test di laboratorio, pertanto; - le dimensioni delle apparecchiature
nonché le quantità di sostanze pericolose implicate nel processo risultano
essere piuttosto ridotte; - i risultati ottenuti dall'analisi
sarebbero risultati essere sostanzialmente inapplicabili per apparati
analoghi ma di dimensioni maggiori (al contrario di quanto avviene
per un'analisi più qualitativa di tipo FMEA) I più significativi (dal punto di vista del rischio potenziale) risultati dell'analisi FMEA effettuata sull'impianto sperimentale della JAERI per la produzione di H2 mediante Steam Reforming sono riportati nella successiva Tabella 3.
Tabella 3 Da
questa preliminare analisi emergono alcune considerazione significative: · Le uniche ripercussioni di un mancato
funzionamento della parte chimica su quella nucleare derivano da eventuali malfunzionamenti
o incidenti sul circuito dell’He secondario. In questa caso, infatti, è
previsto una procedura di spegnimento di emergenza del reattore e
l’interruzione del processo di produzione per salvaguardare l’integrità
strutturale dei componenti, in particolare dello Steam Reformer. · Non ci sono invece ripercussioni in caso
di malfunzionamento o incidente sulla linea di alimentazione del gas di
processo o su quella del vapore. In questo caso infatti è possibile
refrigerare ugualmente l’He nel secondario tramite lo SG e lo scambiatore
collegato. E’ possibile quindi procedere con lo spegnimento del reattore
secondo la normale procedura e non in emergenza. · Considerando la complessità dello schema
di processo per la produzione di H2 e le condizioni chimiche e
fisiche (ambienti aggressivi e alte temperature) è lecito attendersi che sia
molto più probabile un malfunzionamento della linea di produzione dell’H2
piuttosto che della linea di produzione del calore. In questo caso occorre
provvedere affinché un tale inconveniente non si traduca automaticamente in
uno shutdown del reattore. Lo SG ed il cooler ad aria associato rappresentano
una soluzione progettuale ingegnosa. Oltre alla produzione del vapore
necessario al processo di reforming, consentono di controllare la temperatura
dell’He nel secondario e la sua refrigerazione anche in caso di
malfunzionamento della linea del CH4 o dello SR. Infatti anche se
dovesse essere sospesa l’alimentazione del vapore verso lo SR è possibile
comunque continuare a refrigerare l‘He. In questo caso il vapore prodotto
viene inviato al cooler ad aria che lo condensa e lo reimmette nello SG.
Stessa soluzione può essere adottata in caso di mancata alimentazioni di
acqua: viene sospesa l’alimentazione di vapore allo SR e il vapore prodotto
serve solo a refrigerare l’He. La circolazione in questa caso avviene per
convezione naturale tra SG e cooler. Nella seguente Figura 12 sono
rappresentati gli elementi più importanti di questo sistema.
Figura 12 · La tecnologia della parte “convenzionale”
del sistema di produzione di H2 mediante Steam Reforming è ben
conosciuta e sperimentata a livello industriale (il 48% dell’idrogeno a
livello mondiale è prodotto con questo processo), ma occorre che alcuni
aspetti relativi alla connessione tra parte nucleare e parte chimica
dell’impianto siano investigati a fondo prima che il processo possa essere
applicabile, tecnicamente sicuro ed economicamente competitivo. I principali
campi di indagine per la gestione sicura del sistema sono riassunti nella
Figura 13 e di seguito brevemente esposti.
Figura 13 1)
Mitigazione dei disturbi termici al reattore: la soluzione adottata dalla
JAERI per limitare tale fenomeno nel reattore HTTR consiste nell'utilizzo del
vapore fornito dallo SG come stabilizzatore della temperatura di ingresso
dell'elio secondario nell'IHX. Anche in caso di disturbi termici legati a
malfunzionamenti nella linea di reforming, la temperatura dell'elio
all'uscita dello SG può essere mantenuta costante alla temperatura di saturazione
del vapore attraverso la regolazione della pressione. Può succedere che il
reattore sia fermato in accordo alle normali operazioni di spegnimento, ma
non che capiti a causa dei disturbi termici legati a malfunzionamenti o
incidenti, poiché lo SG agisce da assorbitore di questi ultimi. Si cerca di
limitare la fluttuazione della temperatura entro i 10°C all'uscita dello SG,
poiché aumenti della temperatura dell'ordine dei 15°C causerebbero lo
shutdown del reattore HTTR. 2)
L'assicurazione dell’integrità strutturale del tubo catalitico: il controllo
della pressione differenziale fra l’elio e i gas di processo, e la stima
dell’infragilimento da idrogeno e corrosione sono tra le possibili soluzioni
di questo problema. 3)
Stima della permeazione del tritio: affinché la produzione per via nucleare
dell'idrogeno possa essere considerata una credibile alternativa a quello per
via fossile, è necessario che l'idrogeno così prodotto non risulti
contaminato dal tritio. Esistono due approcci per limitare efficacemente
questa problematica: rimuovere quanto più tritio possibile dal refrigerante
primario del reattore, oppure evitarne la permeazione attraverso le tubazioni
di scambio. Il rateo di quest'ultima dipende dalle condizioni superficiali
delle tubazioni: se la superficie è pulita esso è elevato; al contrario in
presenza di uno strato superficiale di ossido tale rateo tende a diminuire.
Nella Figura 14 è riportata una rappresentazione dei possibili scambi di
tritio tra sorgente (reattore) e sistemi coinvolti, nella Tabella 4 le
concentrazioni calcolate del tritio nell'idrogeno prodotto in funzione dello
stato delle superfici di scambio.
Figura 14
Tabella 4 · Occorre considerare l’eventualità di
incendi ed esplosioni a seguito della formazione di una nube di gas
infiammabile come conseguenza di una perdita di idrogeno o metano. E’
sostanzialmente questo il più importante fattore di rischio per gli operatori
e la popolazione: risulta quindi necessario evitare e/o minimizzare il più
possibile le conseguenze di eventuali incidenti che comportino perdite nelle
tubazione che trasportano il gas. Inoltre una eventuale esplosione potrebbe
danneggiare le strutture dell’impianto e comprometterne la sicurezza. Occorre
considerare 3 possibili casi: I all’interno dell’edificio reattore II all’esterno ma in prossimità dell’edificio
reattore III
all’esterno e lontano dall’edificio reattore Nel
primo caso le conseguenze di una esplosione potrebbero essere molto gravi e
tali da compromettere la sicurezza nucleare del reattore. Occorre intervenire
affinché la probabilità di un evento di questo tipo sia ragionevolmente
bassa. L’analisi del sistema evidenzia come l’unico caso in cui ci possa
essere trasferimento di gas esplosivi dal sistema convenzionale all’interno
del reattore sia la contemporanea rottura del circuito dell’elio secondario e
dello Steam Reformer. Questo può succedere solo in caso di sisma ed è per
questo che il sistema deve essere progettato per avere elevati standard di
sicurezza contro le conseguenze di tale evento. Il
sistema di Steam Reforming non è progettato come sistema nucleare e non
possiede gli stessi livelli di sicurezza. In caso di esplosione in questa
sezione, che è comunque vicina al reattore, potrebbero generarsi carichi
termici e onde di sovrapressione tali da pregiudicare l’integrità
dell’edificio reattore. Occorre quindi limitare il rischio di perdite di gas
infiammabile nei pressi del reattore, ad esempio adottando come soluzione per
il trasporto del gas un tubo doppio come quelli usati per il trasporto dei
gas tossici. In
caso di evento lontano dal reattore gli effetti dell’esplosione potrebbero
essere più significativi di quelli dell’incendio. E’ quindi necessario
valutare la distanza di sicurezza nei confronti di questo evento. Se usiamo
il modello del TNT equivalente, il modello di formazione della nube e di
esplosione riportato in Figura 15 e la distanza scalata ricavata dal grafico
in Figura 16 possiamo calcolare la distanza di sicurezza. Ipotizzando di
avere una massa di 100 kg di gas con un potere calorifico pari a 3.5·106
J/m3 si ottiene una distanza di sicurezza di circa 200 m.
Figura 15
Figura 16 5.
Conclusioni e prospettive future
In conclusione già per un impianto sperimentale di piccola taglia come quello preso in considerazione esistono sequenze incidentali potenzialmente pericolose di cui tener debito conto nella fase di progettazione dei sistemi di sicurezza; tali problematiche risulteranno essere inevitabilmente accentuate per impianti di taglia maggiore, ed ancora più sentite per impianti di natura non sperimentale ma commerciale. I risultati ottenuti in questo lavoro possono fornire alcune indicazioni riguardo ai componenti più "critici" ed alle sequenze incidentali più rischiose. In
futuro sarà quindi necessario un ulteriore impegno nel campo della ricerca e
dello sviluppo per giungere a sistemi di produzione per via nucleare
economicamente e tecnicamente competitivi. L'affermarsi di questa tecnologia,
se si tengono ben presenti i suoi limiti intrinseci (l'idrogeno è un vettore
energetico e non una fonte di energia e quindi deve essere prodotto
industrialmente), è sicuramente una delle più affascinanti e stimolanti
prospettive nell'ottica di uno sviluppo della nostra società veramente
sostenibile sia dal punto di vista ambientale che sociale. 6.
Bibliografia
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