APPLICAZIONI ENERGETICHE DELL'IDROGENO: PRODUZIONE DI H2 PER VIA NUCLEARE MEDIANTE STEAM REFORMING

Ingegneria Energetica e Nucleare

· Produzione di H₂ per via nucleare mediante steam reforming

· Guglielmo Lomonaco – Pierpaolo Rocchi – Vincenzo Romanello

· INTRODUZIONE

· steam reforming del metano per la produzione di H₂ e metanolo

· steam reforming per via nucleare

· Analisi preliminare di sicurezza della produzione di H₂ con il reattore HTTR

· Conclusioni e prospettive future

· BIBLIOGRAFIA

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 NO_x (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.

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:

(1)	CH₄ + H₂O = 3H₂ + CO – 49 kcal/mol

(2)	CH₄ + 2H₂O = 4H₂ + CO₂ – 39 kcal/mol

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

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 2

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 3

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 4

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 5

Figura 6

Figura 7

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

Caratteristica di processo	Sistema a combustibile fossile	Sistema nucleare HTTR
Pressione del gas naturale	Da 1 a 3 MPa	4.5 MPa all’ingresso del reformer
Temperatura massima del gas naturale	850 fino a 900°C	800°C
Flusso termico massimo nella zona del catalizzatore	50 fino a 80 kw/m²	40 KW/m²
Utilizzazione dell’energia termica nel reformer	80 fino a 85%	78%
Emissione di CO₂ dalla fonte di calore per energia generata	3 ton CO₂/h/10MW	0

Tabella 2

Nella Figura 8a e Figura 8b sono rappresentati alcuni esempi di reformer per gli impianti HTR.

Figura 8a 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

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.

Componente	Modo di guasto	Effetti sul sistema	Effetti su altri componenti	Classe	Manifestazione del guasto
Alimentazione del calore (impianto HTR)	Interruzione del collegamento o malfunzionamento del reattore	Degrado del processo produttivo	Malfunzionamento dello steam reformer	III	Diminuzione della temperatura dell’elio nel circuito secondario
Alimentazione del calore (impianto HTR)		Degrado del processo produttivo	Mancata produzione di vapore con caratteristiche adeguate al processo.	III
Pompa CH₄	Incapacità di fornire la prevalenza al fluido	Degrado del processo produttivo	Variazione dei parametri di processo nello steam reformer	II	Diminuzione di pressione di alimentazione del gas di alimento
Pompa CH₄	Incapacità di fornire la prevalenza al fluido	Degrado del processo produttivo		II
Serbatoio e linea alimento CH₄	Rottura e perdite	Formazione di una nube potenzialmente esplosiva nella parte chimica convenzionale dell’impianto	Mancata alimentazione del gas di processo nello Steam Reformer	IV	Presenza di una pozza/nube di CH4. Rivelatori di gas.
Scambiatore CH₄/ gas prodotti	Perdita/rottura dell’interfaccia	Possibile contaminazione dei gas di processo con CH⁴	Degrado del processo produttivo e della qualità del prodotto finale	III	Presenza di CH4 nel gas prodotto
Pompa H₂O	Incapacità di fornire la prevalenza al fluido	Variazione della qualità di H₂O allo SG	Nessuno	II	Diminuzione della pressione dell’H₂O
Linea alimento H₂O	Perdita o rottura	Mancata alimentazione di H20 allo scambiatore H2O/He e allo SG	Possibile surriscaldamento del bundle dello scambiatore.	II	Presenza di pozze d’acqua.
Scambiatore H₂O/He	Perdita/rottura dell’interfaccia	Perdita di pressione del circuito secondario dell’elio.	Perdita di uno dei sistema di refrigerazione del circuito primario	IV	Diminuzione di pressione dell’He.
Circuito secondario He	Perdita	Perdita di pressione del circuito secondario dell’elio.	Perdita di uno dei sistema di refrigerazione del circuito primario	IV	Diminuzione di pressione dell’He.
Generatore di vapore	Perdita	Mancata produzione di vapore con caratteristiche adeguate	Degrado del processo produttivo e della qualità del prodotto finale	III	Perdite di H₂O o vapore