Obiettivo 1: Produzione di idrogeno verde e pulito
REFERENTE/I
Silvano Tosti – ENEA
silvano.tosti@enea.it
Attività
Questo progetto è focalizzato sullo sviluppo di un sistema per la produzione di idrogeno e ossigeno mediante decomposizione termica dell’acqua ad alta temperatura (1800-2000°C) il cui riscaldamento può essere realizzato mediante esposizione diretta alla radiazione solare.
Il sistema studiato prevede l’utilizzo di una speciale unità di processo che consiste di una camera di reazione dove sono presenti due tipi di membrane: una membrana selettivamente permeabile all’idrogeno ed una selettivamente permeabile all’ossigeno. Queste membrane separano continuamente l’idrogeno e l’ossigeno prodotti dalla reazione di decomposizione dell’acqua: operando in questo modo è possibile ottenere valori di conversione di reazione più alti di quelli ottenibili in un reattore chimico tradizionale.
Ad esempio, un reattore chimico tradizionale per convertire in idrogeno ed ossigeno tra il 10 e 20% dell’acqua processata deve operare oltre i 2500 °C mentre il reattore a membrana studiato in questo progetto ottiene gli stessi valori di conversione di reazione a temperature nell’intervallo 1800-2000 °C.
Le attività progettuali riguardano la realizzazione del progetto concettuale del reattore, del suo accoppiamento con un concentratore solare e la realizzazione e caratterizzazione di componenti prototipici quali le membrane per la separazione gassosa.
Figura 1
Schema concettuale del reattore a membrana proposto per la produzione di idrogeno ed ossigeno mediante decomposizione termica dell’acqua
Risultati
È stata condotta una attività di progettazione di un dispositivo su scala prototipale (1 kW idrogeno) mediante verifiche termo-fluidodinamiche, bilanci di materia ed energia e finalizzato al dimensionamento delle membrane, con riferimento ai processi di trasposto di materia relativi alla permeazione selettiva dell’idrogeno e dell’ossigeno. Il disegno di tale prototipo scala laboratorio operante ai 1800 °C prevede l’utilizzo di tubi permeatori in Tantalio per la separazione dell’idrogeno e di tubi in Hafnia per il recupero dell’ossigeno. Per la captazione dell’energia solare, si è optato per un concentratore a disco parabolico che risulta essere una tecnologia adatta in termini di dimensioni, potenzialità e scalabilità del sistema.
Altre attività hanno riguardato lo studio di materiali metallici da utilizzare per la costruzione del prototipo di reattore a membrana. Sono state eseguite prove di saldabilità del Tantalio e di giunzione dello stesso con Tungsteno e AISI316 mediante microsaldature effettuate con dispositivi laser. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita con prove di trazione condotte nell’intervallo da temperatura ambiente a 500 °C su provini di Ta caratterizzati a livello microstrutturale al SEM. Questi risultati hanno permesso di definire il design di un dispositivo sperimentale per le successive prove di permeazione di tubi di Ta.
Figura 2
Curve sforzo-deformazione per campioni di tantalio a 5 differenti temperature da 25
°C a 525 °C.
Figura 3
Design del prototipo di reattore a doppia membrana (sinistra) e andamento dell’idrogeno prodotto al variare della temperatura del reattore (destra).
Figura 4
Macchina utilizzata per le prove di trazione su provini di tantalio e apparato di riscaldamento
Team di ricerca
Silvano Tosti – ENEA
Alfonso Pozio – ENEA
Alessia Santucci – ENEA
Luca Farina – ENEA
In collaborazione con:
Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Roma Tor Vergata
(Stefano Cordiner, Lorenzo Bartolucci, Vincenzo Mulone, Andrea Cinti)
RINA Consulting – Centro Sviluppo Materiali S.p.A.
(Antonello Di Donato, Teresa Beone, Damiano Capobianco)
Documenti
“DEVELOPMENT OF A DUAL-MEMBRANE REACTOR FOR HYDROGEN PRODUCTION THROUGH WATER THERMOLYSYS” L. Bartolucci, A. Cinti, S. Cordiner, V. Mulone and S. Tosti, Proceedings of SEEP2024, 09-12 September 2024, University of Natural Resources and Life Science, Vienna
