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Produzione di idrogenoed energia elettrica con reattori nucleari di IV generazione Pier Paolo Prosini

ENEA, Unità Idrogeno e Celle a Combustibile

riflettore suprimo piano studi& ricerche

appunti di

La produzione di idrogeno daenergia nucleare è una opzioneeconomicamente etecnicamente raggiungibile persoddisfare i fabbisognienergetici delle futuregenerazioni. In questo articolosono illustrate le attivitàinternazionali per la produzionenucleare di idrogeno tramitescissione dell’acqua. Quindi èstata investigata la possibilità diaccoppiare il ciclo NIS, un ciclotermochimico originariamentesviluppato in ENEA per esserealimentato tramite energiasolare, con un reattore nuclearedi nuova generazione per laproduzione massiva di idrogeno

IV Generation NuclearReactors for Hydrogen and Power Generation

Hydrogen production by nuclear power is a technicallyfeasible and economically viable option for addressingfuture national energy needs. In this article theinternational activities on water splitting for hydrogenproduction from nuclear power are presented. The NIScycle – a thermochemical water splitting cycle originallydeveloped in ENEA laboratories for solar hydrogenproduction – has been investigated to be coupled withnew-generation nuclear reactors for massive hydrogenproduction

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Produzione di idrogeno ed energia elettrica con reattori nucleari di IV generazione

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1. sostenibilità;2. economicità;3. sicurezza ed affidabilità;4. resistenza alla proliferazione nucleare e prote-

zione fisica.All’interno della Technological Roadmap for Ge-neration IV Nuclear Energy System[1] sono sta-te selezionate, per essere successivamente svi-luppate, sei tipologie di reattore di nuova ge-nerazione, che sono riportate in tabella 1. Al-cuni di questi reattori possono essere accoppia-ti ad impianti per la scissione chimica dell’ac-qua per generare, oltre che elettricità, idroge-no. In tal modo l’idrogeno potrebbe essere pro-dotto a costi ed in quantità necessarie per es-sere usato come vettore energetico sostenibilenel campo dei trasporti.

Produzione dell’idrogeno

Metodi tradizionaliL’idrogeno non esiste libero sulla Terra e quindi deveessere prodotto. Ci sono due principali modi di pro-durre l’idrogeno: la scissione dell’acqua e l’estrazio-ne dagli idrocarburi. Quest’ultimo metodo rappre-senta attualmente la principale fonte di produzionedell’idrogeno: circa il 96% di tutto l’idrogeno pro-dotto proviene da combustibili fossili, tramite steam

Per far fronte al bisogno sempre crescente di ener-gia riducendo le emissioni di gas serra è di vitaleimportanza lo sviluppo di fonti e vettori energeti-ci non derivanti da combustibili fossili. Tra le varieforme di energia alternative, quella nucleare pos-siede le potenzialità di soddisfare il fabbisognoenergetico mondiale senza che il suo consumo in-terferisca con i cambiamenti climatici dovuti al rila-scio in atmosfera di gas serra. Attualmente l’e-nergia nucleare è utilizzata esclusivamente per laproduzione di elettricità che, in assenza di ade-guati sistemi di accumulo, deve essere immessadirettamente nella rete elettrica. La difficoltà distoccare l’elettricità limita notevolmente l’impie-go dell’energia nucleare nel campo dei trasporti.Al contrario dell’energia elettrica l’idrogeno puòessere accumulato, permettendo in tal modo distoccare efficacemente l’energia prodotta per vianucleare. In tutto il mondo si stanno compiendonumerosi studi per ampliare le possibilità offertedall’energia nucleare. I reattori nucleari di IV ge-nerazione sono oggetto di una iniziativa avviatadal Dipartimento dell’Energia americano (DoE) nelgennaio 2000. I paesi partecipanti, compresa l’U-nione Europea, sono riuniti nel Generation IV Inter-national Forum (GIF) con lo scopo di sviluppare isistemi nucleari di nuova generazione. Tali sistemidovranno rispettare i seguenti requisiti:

Tabella 1 – Reattori di IV generazione selezionati all’interno del rapporto The Technological Roadmapfor Generation IV Nuclear Energy System per essere ulteriormente sviluppati

Temperatura massimaTipo Reattore Acronimo di lavoro / °C

Termico Very High Temperature Reactor VHTR > 1.000Super Critical Water Reactor SCWR 550Molten Salt Reactor MSR 700

Veloce Gas-cooled Fast Reactor GFR 850Sodium-cooled Fast Reactor SFR 550Lead-cooled Fast Reactor LFR 480

Fonte: Elder, R., Allen, R., 2009, Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very/high temperature reactor to a hydrogen produc-tion plant. Progress in Nuclear Energy, 51, 500-525


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ossigeno, è un processo altamente energetico.L’entalpia di reazione è di 241,8 kJ per mole,partendo da acqua allo stato vapore, e sale a285,8 kJ per mole partendo da acqua liquida(essendo necessarie 44 kJ per l’evaporazione diuna mole di acqua liquida). Per tale motivo lascissione termica dell’acqua può avvenire, a ve-locità ragionevoli, solo a temperature eccedentii 4.400 °C[4]. Per tentare di abbassare la tempe-ratura necessaria per la scissione diretta, sonostati elaborati dei cicli termochimici in grado dioperare la scissione in due o più passaggi, ognu-no dei quali può avvenire a temperature minoririspetto a quella necessaria per la scissione di-retta. Tra i numerosi cicli termochimici proposti,quello denominato zolfo-iodio (ciclo S-I dalle ini-ziali dei due elementi chimici) è stato largamen-te studiato. Sviluppato originariamente dalla Ge-neral Atomics (GA) agli inizi degli anni ’80[5] èanche conosciuto come ciclo GA. Dopo una in-terruzione nelle attività di ricerca e sviluppo, laGA ha recentemente iniziato una serie di studiper migliorare il ciclo. Esso è basato sulla decom-posizione termica dell’acido solforico (H2SO4)per dare ossigeno ed anidride solforosa, e del-l’acido iodidrico (HI), per dare idrogeno e iodio.La prima avviene intorno agi 800-850 °C mentrequella dell’acido iodidrico avviene a temperatu-re inferiori (550 °C). L’anidride solforosa e lo io-dio sono poi ricombinati nella reazione di Bunsenper rigenerare gli acidi di partenza. La reazione diBunsen è una reazione spontanea ed esotermicache avviene già a temperatura ambiente. Per au-mentare la velocità di reazione questa è peròcondotta a temperature comprese tra 80 e 120°C. Al fine di separare gli acidi si ricorre all’usodi un eccesso, rispetto alle quantità necessariestechiometricamente, di iodio e di acqua. In talmodo l’acido iodidrico e lo iodio segregano for-mando una fase più densa, detta soluzione io-didrica, che contiene anche parte dell’acqua conun rapporto stechiometrico HI:H2O:I2 pari a1:5:4. L’acido solforico stratifica sulla soluzioneiodidrica, sciolto in acqua con un rapporto ste-chiometrico compreso tra 1:4 e 1:6. Le due fasipossono essere separate per decantazione e pro-cessate per produrre idrogeno e ossigeno. Il prin-

reforming o thermal craking del gas naturale, steamgasification del carbone o tramite ossidazione ecraking di oli pesanti. Il restante 4% è prodotto perscissione dell’acqua tramite elettrolisi a bassa tem-peratura. L’elettrolisi dell’acqua è energeticamenteconveniente in quanto circa l’80% dell’energia elet-trica utilizzata per la reazione è convertita in idroge-no. Considerando però che l’efficienza di conversio-ne del calore in elettricità nei moderni impianti a tur-bine è del 45%, la resa di trasformazione del calorein idrogeno tramite elettrolisi risulta solo del 36%.

Elettrolisi ad alta temperaturaPer ridurre la barriera energetica agli elettrodi ediminuire la sovratensione di cella, incrementan-do in tal modo l’efficienza di conversione, è sta-to proposto di utilizzare, al posto di acqua in fa-se liquida, vapore ad alta temperatura (800-1000°C). In tale metodo, denominato High Tempera-ture Electrolysis (HTE), parte dell’energia neces-saria alla scissione può essere fornita termica-mente e questo porta ad un aumento dell’effi-cienza di conversione. L’HTE è basata principal-mente sulla tecnologia delle celle a combustibilea ossidi solidi Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), lad-dove mentre le SOFC consumano idrogeno edossigeno per produrre elettricità, l’HTE consumaelettricità, calore e acqua (allo stato vapore) perprodurre idrogeno ed ossigeno. Il potenziale dicella richiesto per l’HTE è di circa 0,9 V, circa il50% in meno di quello richiesto nell’elettrolisi abassa temperatura. I processi elettrodici, inoltre,avvengono più velocemente in quanto sono piùalte le correnti di scambio. Problemi sono legatialla corrosione degli elettrodi che portano alladegradazione della cella elettrochimica con per-dite di efficienza anche del 45%[2]. Recentemen-te è stato proposto di alimentare la cella con va-pore ed anidride carbonica per produrre una mi-scela di idrogeno e monossido di carbonio (syn-gas), che può essere usata direttamente o lique-fatta per produrre idrocarburi liquidi tramite ilmetodo Fischer-Tropsch. I primi studi hanno mo-strato efficienze del 43-48%[3].

Scissione termochimica dell’acquaLa scissione dell’acqua, per produrre idrogeno e

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sa temperatura per rigenerare l’acido solforico esviluppare idrogeno. La tensione di cella necessa-ria si riduce a poche centinaia di millivolt (0,17-0,20V). La resa teorica calcolata pensando di ope-rare la dissociazione termica dell’acido solforico a930 °C e 10 bar di pressione è compresa tra il 47%e il 49%. Il ciclo Westinghouse è anche conosciutocome ciclo zolfo ibrido Hybrid sulphur (Hy-S).

Impianti nucleari di cogenerazioneidrogeno/elettricità

Produzione di idrogeno da fonte nucleareI metodi di scissione dell’acqua non tradizionali quiconsiderati (HTE, SI e Hy-S) richiedono tutti unafonte di calore con temperature intorno agli 800-1000 °C che può essere fornita da reattori nuclea-ri ad alta temperatura. Alcuni reattori nucleari diIV generazione sono particolarmente adatti a forni-re energia per la produzione di idrogeno sia per leloro caratteristiche intrinseche di sicurezza sia per-ché alcuni di loro lavorano a temperature compati-bili con quelle necessarie alla produzione di idro-geno. Tra questi sia i VHTR che i GFR raggiungo-no temperature eccedenti gli 800 °C, alte abba-stanza per essere usate come fonte di calore peralimentare i cicli SI, Hy-S e HTE[11]. L’uso dell’energianucleare per la produzione combinata di idrogenoed elettricità permette di soddisfare sia le esigen-ze immediate di energia, immettendo in rete l’e-lettricità prodotta, sia quelle remote, stoccando l’i-drogeno e consumandolo solo quando necessita.L’idrogeno può inoltre essere accumulato a bordodi veicoli ed essere usato come vettore energeticoin modo da poter utilizzare l’energia nucleare anchenel campo della trazione. L’impianto di cogenerazione è costituito da quat-tro parti distinte:1. il reattore nucleare ad alta temperature High

Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR);2. il sistema di scambio intermedio del calore In-

termediate Heat Exchanger (IEX); 3. il sistema di conversione di potenza Power Con-

version System (PCS);4. l’impianto di produzione dell’idrogeno Hydro-

gen Production Plant (HPP).

cipale svantaggio del ciclo è legato proprio almetodo di separazione degli acidi. Infatti per po-ter ottenere gli acidi liberi occorre far evapora-re l’acqua e lo iodio in eccesso e questo proces-so assorbe una gran quantità di calore. Partico-larmente energivora risulta la purificazione del-l’HI dalla fase iodidrica. La distillazione fraziona-ta e successivamente quella estrattiva sono sta-te proposte per la separazione dell’HI[5]. Succes-sivamente Roth introdusse la distillazione reat-tiva[6], mentre più recentemente è stata propostal’elettrodialisi[7] che pare particolarmente inte-ressante nel ridurre il costo energetico della pu-rificazione della fase iodidrica, rendendo il cicloenergeticamente e tecnologicamente vantag-gioso. Sempre al fine di diminuire il costo ener-getico della reazione sono stati sviluppati deimetodi che prevedono l’uso di metalli di transi-zione come agenti di riciclo. Sato[8] propose unciclo termochimico che utilizzava il nichel metal-lico. Per reazione con gli acidi si formavano ilsolfato e lo ioduro di nichel che venivano separa-ti per cristallizzazione frazionata. Sviluppando i la-vori del gruppo giapponese, all’interno dei la-boratori ENEA della Casaccia è stato messo apunto un metodo che consente di trasformarela fase iodidrica in una soluzione acquosa di io-dio e ioduro di nichel. In tal modo la distillazionedella fase iodidrica è sostituita da una sempliceevaporazione riducendo quindi i costi e i tempidella purificazione[9]. Il ciclo, sviluppato origina-riamente per essere alimentato con energia sola-re concentrata, può essere facilmente modifica-to per poter utilizzare energia termica prodottada reattori nucleari di IV generazione.

Cicli termochimici ibridiUna ulteriore possibilità di produrre idrogeno è of-ferta dai cicli termochimici ibridi che, al fine di dimi-nuire la tensione di cella dell’elettrolizzatore, com-binano reazioni ad alta temperatura con processielettrochimici. Il primo di questi cicli fu sviluppatodalla Westinghouse[10]. Così come accade nel ci-clo GA l’acido solforico è decomposto ad alta tem-peratura in ossigeno ed anidride solforosa. L’ani-dride solforosa è raccolta e solubilizzata in acqua. Lasoluzione è quindi sottoposta ad elettrolisi a bas-


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pando reattori di alta potenza con nocciolo anula-re. La Japan Atomic Energy Agency (JAEA) prevedela costruzione di un Gas Turbine High Temperatu-re Reactor (GTHTR300)[14] da 600 MWt mentre inAmerica si stanno sviluppando reattori del tipo GasTurbine Modular Helium Reactor (GT-MHR) e Peb-ble Bed Modular Reactor (PBMR), di potenza legger-mente inferiore da 500 fino a 600 MWt. In Fran-cia la AREVA, una partnership che comprende ilCommissariat à l'Énergie Atomique (CEA) e l’Élec-tricité de France (EDF), sta sviluppando un reattoreANTARES da 600 MWt. Tutti questi programmi pre-vedono lo sviluppo di un impianto di produzionedi idrogeno alimentato da energia nucleare anchese il sistema di produzione di potenza, quello discambio termico intermedio ed il layout di impian-to differiscono sensibilmente. La tabella 2 riportale caratteristiche principali dei programmi di svilup-po descritti in precedenza.

Programmi internazionali di produzione di idrogeno nucleare

GiapponeIl JAEA sta sviluppando un ambizioso programmaper ottenere idrogeno da fonte nucleare. A tal fi-ne sono state affrontate tre distinte aree di ricerca:1. steam reforming del metano (SMR);2. scissione termochimica dell’acqua tramite ciclo SI;3. elettrolisi del vapore ad alta temperatura (HTE).Nei piani della JAEA la SMR sarà la prima applicazio-ne che verrà studiata per la produzione di idrogeno.Il calore necessario per la reazione di steam refor-ming del metano sarà fornito dal GTHTR300. Il me-todo sarà gradualmente sostituito dalla scissionetermochimica dell’acqua in modo da evitare le emis-

La tecnologia HTGRLa tecnologia HTGR è stata sviluppata negli ultimi50 anni ed ha portato alla realizzazione di numero-si impianti tuttora funzionanti. Il concetto HTGR siè evoluto dai primi reattori raffreddati ad anidridecarbonica fino ai reattori raffreddati ad elio[12] cheoffrono un’efficienza di scambio termico maggiore.Molta della tecnologia utilizzata per disegnare i reat-tori di IV generazione del tipo HTGR è stata mutua-ta direttamente dai reattori tedeschi del tipo Arbeit-sgemeinschaft Versuchsreaktor (AVR) e Thorium Hi-gh Temperature Reactor (THTR) e dal reattore ame-ricano di Fort St Vrain (FSV). Il reattore AVR da 46MWt è stato cronologicamente il primo reattore ca-pace di fornire calore a temperature di 950 °C ed èrimasto in uso per oltre 10 anni[13]. L’AVR fu seguitodal THTR, che però ebbe vita breve soprattutto acausa di ragioni politiche. In Germania peraltro fuanche avviato un programma di costruzione di reat-tori di potenza elevata quali l’HTR-500 da 1390 MWt

e 500 MWe, che comunque non fu mai realizzato.

Reattori nucleari di IV generazioneAl fine di mantenere la temperatura del combusti-bile sotto i limiti di danneggiamento del materialeutilizzando sistemi di raffreddamento passivi, la po-tenza termica dei HTGR è stata limitata a 200 MWt.Data la potenza limitata, questo tipo di reattore ri-sulta però non competitivo da un punto di vistaeconomico. La necessità di aumentare la potenzatermica ha portato allo sviluppo di un nuovo con-cetto di reattore a nocciolo anulare che permettedi sviluppare potenze fino a 600 MWt. Il risultan-te HTGR è quindi basato su un concetto innovativosia per le caratteristiche di design sia per la filosofiadi sicurezza adottata. Diversi paesi stanno svilup-

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Tabella 2 – Programmi di produzione di idrogeno nucleare con reattori di IV generazione

Gruppo JAEA GA Westinghouse AREVAPaese Giappone USA USA FranciaReattore GTHTR300 GT-MHR PBMR ANTARESPotenza MWt 600 550-600 500 600PCS Brayton Brayton Rankine RankineHPP SI HTE/SI HyS/HTE SI/ HTE

Fonte: Elder, R., Allen, R., 2009, Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very/high temperature reactor to a hydrogen produc-tion plant. Progress in Nuclear Energy, 51, 500-525


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sformata in energia elettrica necessaria per la rea-zione di elettrolisi mentre il restante è utilizzato pergenerare il vapore ad alta temperatura. L’HPP è di-mensionato per produrre circa 3,0 t/h di idrogeno,con una efficienza del 55,8%.La Westinghouse, in collaborazione con lo ShawGroup, sta sviluppando un ciclo ibrido di produzionedell’idrogeno, ottimizzato per sfruttare al meglio ilcalore e l’energia elettrica ottenibili per mezzo di unreattore PBMR. Tra le differenti versioni proposte,quella costituita da un PCS indiretto basato su unciclo Rankine in serie con l’IHX è stata studiata neiparticolari. Il sistema è costituito da quattro reattoriPBMR da 500 MWt, ciascuno dei quali accoppiato,tramite uno scambiatore termico intermedio a duestadi, con un impianto di produzione di idrogenobasato sul ciclo Hy-S. Ogni reattore fornisce 200MWt all’HPP per la decomposizione dell’acido solfo-rico per un totale di 800 MWt. Circa la metà di que-sta energia è poi recuperata per preriscaldare l’ac-qua in ingresso alla PCS che assorbe anche i restan-ti 1.200 MWt erogati dal reattore, producendo elet-tricità per un totale di 600 MWe. Tutta l’energia elet-trica è quindi utilizzata per la produzione elettrochi-mica dell’idrogeno che è generato ad una velocitàdi 7,6 t/h con una efficienza di conversione del 38%.

FranciaIl programma AREVA portato avanti in Francia vedenel ciclo SI e nella HTE i metodi più promettenti perla produzione di idrogeno da fonte nucleare. Il cicloSI è senza dubbio più studiato rispetto alla HTE. Tut-ta la potenza del reattore (600 MWt) è sfruttata perla produzione di idrogeno, che richiede ulteriori MWe

che sono prelevati direttamente dalla rete elettrica. Iltrasferimento del calore dal reattore all’HPP è previ-sto tramite una conduttura isolata lunga 200 m. Leattività sono portate avanti principalmente dal CEAe da EDF e prevedono anche un programma di svi-luppo di produzione dell’idrogeno tramite HTE.

Altri programmiOltre a questi programmi sono in corso ricercheper la produzione di idrogeno da nucleare finan-ziate da Unione Europea (HYTECH e RAPHAEL),Corea, Australia e Canada. Per ulteriori approfon-dimenti sulla produzione di idrogeno da nucleare

sioni di anidride carbonica associate con il proces-so SMR. La produzione di idrogeno avverrà per ac-coppiamento del reattore nucleare con un ciclo SI.A tale sistema di cogenerazione elettrico-idrogenoè stato dato il nome di GTHTR300C, mentre il GTH-TR300H è progettato per produrre prevalentemen-te idrogeno oltre che elettricità. Studi iniziali su sca-la di laboratorio hanno portato alla realizzazionedi un sistema di produzione di idrogeno basato sulciclo SI capace di generare flussi continui di 30Nm3/h. Per migliorare l’efficienza di conversione èstato proposto l’uso di membrane di elettrodialisiche permettono di concentrare a bassa tempera-tura la soluzione iodidrica[15]. La temperatura dell’e-lio primario è compresa tra 950 e 594 °C. Unoscambiatore intermedio elicoidale separa il circui-to primario dal secondario. L’energia termica del-l’elio del circuito secondario è utilizzata per decom-porre l’acido solforico e l’acido iodidrico. L’impian-to di produzione dell’idrogeno è progettato perprodurre circa 2 t/h di idrogeno e 200 MWe, conuna efficienza globale compresa tra il 45 e il 48%.

Stati UnitiLa GA ha selezionato due tecnologie per la produzio-ne di idrogeno nucleare, il ciclo SI e l’HTE[16]. Il siste-ma integrato di produzione è stato denominato H2-MHR. Rispetto all’MHR tradizionale la temperaturadell’elio all’uscita del reattore è aumentata a 950 °C,mentre quella in uscita dal HPP è stata portata a 590°C. Nell’H2-MHR il PCS è sostituito da un IHX peraccoppiarlo direttamente al HPP. Questo è distan-ziato di oltre 115 m dal MHR per proteggere il reat-tore da eventuali esplosioni che potrebbero avveni-re a livello del HPP. Per diminuire il costo energeticodel ciclo SI è prevista una distillazione reattiva checomunque consuma una notevole quantità di ener-gia elettrica. Le potenzialità dell’impianto sono di cir-ca 4,2 t/h di idrogeno, con una resa di conversioneenergetica del 45%. L’IHX consiste di 40 moduli acircuito stampato, ognuno capace di scambiare 15MWt. Alternativamente al ciclo SI l’HTE è stato pro-posto come metodo di produzione dell’idrogeno. Inquesto caso l’H2-MHR fornisce l’energia termica perla produzione sia del vapore destinato all’elettrolisi, siadi quello necessario a produrre energia elettrica tra-mite il PCS. Circa il 90% dell’energia termica è tra-


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Il ciclo NIS

Descrizione del cicloIl ciclo è basato sulle seguenti reazioni chimiche.Reazione di Bunsen (1) condotta in eccesso diiodio ed acqua, nella quale i prodotti di reazionesi separano spontaneamente in due fasi liquide.Una fase solforica più leggera contenente prin-cipalmente acido solforico ed acqua (fase a) eduna più pesante contenete acido iodidrico, ac-qua ed iodio (fase b). Reazione del nichel me-tallico con la fase solforica (a) per produrre idro-geno e solfato di nichel esaidrato (2). Disidrata-zione dell’esaidrato a formare nichel solfato ani-dro (3). Decomposizione termica del solfato dinichel a formare ossido di nichel solido ed ani-dride solforosa ed ossigeno come gas (4). Rea-zione dell’ossido di nichel con l’acido iodidricocontenuto nella soluzione iodidrica (b) a forma-re lo ioduro di nichel in soluzione di iodio ed ac-qua (5). Evaporazione dell’eccesso di acqua e io-dio in modo da separare lo ioduro di nichel comesolido (6). Decomposizione termica dello iodu-ro di nichel per formare nichel metallico e iodio(7). Condensazione dei vapori di acqua e iodio(8 e 9). Sommando tutti i membri a sinistra e de-stra e semplificando si ottiene l’equazione di pro-duzione di idrogeno per scissione dell’acqua co-me descritto in (10). Le reazioni possono così essere rappresentate:

si rimanda alla recente survey di Elder e Allen[16]

che riporta in maniera dettagliata gli argomenti finqui trattati.Nel 2005 l’ENEA ha iniziato un ambizioso program-ma per la produzione di idrogeno da energia so-lare chiamato TEPSI. Il progetto, della durata trien-nale, ha tre obiettivi principali:1. produzione di idrogeno per scissione termica

dell’acqua tramite cicli termochimici alimentatida energia solare concentrata;

2. sviluppo di nuovi materiali per l’accumulo del-l’idrogeno;

3. produzione di idrogeno tramite gassificazionedel carbone e sequestro dell’anidride carbonica(Processo ZECOMIX).

Il primo di questi punti prevede la produzione di idro-geno tramite cicli SI, simili a quelli sviluppati per laproduzione di idrogeno da nucleare. All’interno delprogetto sono stati effettuati studi sulla reazione diBunsen alternativa, sulla decomposizione dell’acidoiodidrico, su quella dell’acido solforico, sull’uso dimembrane distillatrici e sulla decomposizione termi-ca di solfati metallici. Nonostante gli studi siano statiindirizzati alla produzione di idrogeno da energia so-lare, questi potrebbero trovare applicazione ancheper la produzione di idrogeno da energia nucleare.Tra i vari cicli studiati, quello denominato Nichel Sul-fur Iodine (NIS) è particolarmente interessante in quan-to garantisce rese di produzione di idrogeno elevatecon una semplicità impiantistica notevole[9].

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• 9 I2liq + SO2gas + 18 H20liq → a[H2SO4 + 6 H20]liq + b[2 HI + 10 H2O + 8 I2]liq (1)

• Nisol + a[H2SO4 + 6 H20]liq → NiSO4. 6H2Osol + H2

gas (2)

• NiSO4. 6H2Osol → NiSO4

sol + 6 H2Ogas (3)

• NiSO4sol → NiOsol + SO2

gas + 1/2O2gas (4)

• NiOsol + b[2 HI + 10 H2O + 8 I2]liq → [NiI2 + 8 I2 + 11 H20]liq (5)

• [NiI2 + 8 I2 + 11 H20]liq → NiI2sol + 8 I2gas + 11 H20gas (6)

• NiI2sol → Nisol + I2gas (7)

• 17 H20gas → 17 H20liq (8)

• 9 I2gas → 9 I2liq (9)

• H20liq → H2gas + O2

gas (10)


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reattore di decomposizione dello ioduro e con ilreattore di disidratazione del solfato prima di esse-re immesso nel circuito dello scambiatore interme-dio. Il calore proveniente dal raffreddamento deisolidi (nichel metallico e nichel ossido) e dei gas(anidride solforosa ed ossigeno), quello di conden-sazione dei vapori di acqua e iodio nonché quellogenerato durante le reazioni esotermiche è recu-perato e trasformato in vapore d’acqua a 550 °C,che serve come fluido di alimentazione per un siste-ma di turbine operanti con un ciclo Rankine rigene-rativo capaci di fornire elettricità con una resa del45%. Le tabelle 3 e 4 riportano le singole trasfor-mazioni del ciclo e i corrispondenti calori scambia-ti. In particolare la tabella 3 riporta le trasformazio-

Accoppiamento del ciclo NIS con un reattore HTGRL’accoppiamento del ciclo termochimico NIS per laproduzione di idrogeno nucleare è pensato con unreattore HTGR raffreddato ad elio che usa grafitecome moderatore capace di sviluppare una poten-za di 600 MWt. La figura 1 mostra uno schema del-l’accoppiamento del ciclo NIS con il reattore HTGR.Uno scambiatore di calore intermedio separa il cir-cuito principale da quello secondario. Il sistema diraffreddamento primario opera tra 950 e 620 °Cmentre il secondario tra 900 e 570 °C, con un flus-so di elio in entrambi i circuiti di 80 kg/sec. L’eliodel circuito secondario scambia calore in cascatacon il reattore di decomposizione del solfato, con il

Tabella 3 – Descrizione delle trasformazioni endotermiche coinvolte nel ciclo NIScon i rispettivi valori entalpici

Entalpia /# Elementi chimici Reazione Elementi chimici kJ mole–1

1 C NiSO4*6H2O Risc. → NiSO4*6H2OS Cris. Cris.T 120 °C 300 °C 35,4

2 C NiSO4*6H2O Dis. → NiSO4 6H2OS Cris. Cris. V ap.T 300 °C 300 °C 300°C 436

3 C NiSO4 Risc. → NiSO4

S Cris. Cris.T 300 °C 800 °C 78,2

4 C NiSO4 Dec. → NiO SO2+1/2O2

S Cris. Cris. GasT 800 °C 800 °C 800 °C 320

5 C NiI2*11H2O *8I2 Evap. → NiI2 11H2O + 8I2S Liq. Cris. Vap.T 120 °C 180 °C 180 °C 1.092

6 C NiI2 Risc. → NiI2S Cris. Cris.T 180 °C 600 °C 45,5

7 C NiI2 Dec. → Ni I2S Cris. Cris. Vap.T 600 °C 600 °C 600 °C 137,5

Totale 2.144,6Legenda: C = componenti, S = stato fisico, T = temperatura, Risc. = riscaldamento, Dis. = disidratazione, Dec. = decomposizio-ne, Evap. = evaporazione, Cris. = cristallino, Liq. = liquido, Vap = vapore

Fonte: Prosini, P.P., Cento, C., Giaconia, A., Caputo, G., Sau, S., 2009, A modified sulphur-iodine cycle for efficient solar hydrogen produc-tion. International Journal of Hydrogen Energy 34, 1218–1225


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(punto 5, tabella 3) che consuma 1.092 kJ per mo-le di idrogeno prodotto. Questo calore può essererecuperato tramite compressione dei vapori e lorocondensazione a temperatura sufficientemente al-ta per determinare l’evaporazione della soluzionesalina. Dalla tabella 4 vediamo che 496 kJ posso-no essere recuperati dalla condensazione dello io-

ni endotermiche e la tabella 4 quelle esotermiche.La differenza tra i calori totali delle reazioni è pari a285,8 kJ che rappresenta proprio la quantità di ca-lore sviluppata durante la combustione di una mo-le di idrogeno per formare acqua. Il passo che ri-chiede maggior energia è l’evaporazione della so-luzione salina di ioduro di nichel, acqua e iodio

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Tabella 4 – Descrizione delle trasformazioni esotermiche coinvolte nel ciclo NIS con i rispettivi valori entalpici

Entalpia /# Elementi chimici Reazione Elementi chimici kJ mole–1

1 C Ni H2SO4 *6H2O Prod. H2 → NiSO4*6H2O H2

S Cris. Liq. Cris. GasT 120 °C 120 °C 120 °C 120 °C 53,5

2 C 6H2O Raff. → 6H2OS Vap. Liq.T 300 °C 60 °C 315,9

3 C NiO Raff. → NiOS Cris. Cris.T 800 °C 60 °C 42,2

4 C SO2 + 1/2O2 Raff. → SO2 + 1/2O2

S Gas GasT 800 °C 120 °C 52,2

5 C NiO [2HI10H2O*8I2] Neut. → NiI2*11H2O* 8I2S Cris. Liq. Liq.T 120 °C 120 °C 120 °C 161,9

6 C 8I2 Cond. → 8I2S Vap. Liq.T 180 °C 120 °C 496,0

7 C 11 H2O Cond. → 11 H2OS Vap. Liq.T 180 °C 100 °C 519,2

8 C Ni Raff. → NiS Cris. Cris.T 600 °C 60 °C 13,0

9 C I2 Raff. → I2S Vap. Liq.T 600 °C 120 °C 70,2

10 C 9 I2 SO2 + 18H2O Bunsen → [2HI*10 H2O*8I2] [H2SO4*6H2O]S Liq. Gas Liq. Liq.T 120 °C 120 °C 120 °C 120 °C 134,7

Totale 1.858,8Legenda: C = componenti; S = stato fisico, T = temperatura, Prod. H2 = Produzione di idrogeno, Raff. = raffreddamento, Neut.= neutralizzazione, Cond. = condensazione, Cris. = cristallino, Liq. = liquido, Vap = vapore

Fonte: Prosini, P.P., Cento, C., Giaconia, A., Caputo, G., Sau, S., 2009, A modified sulphur-iodine cycle for efficient solar hydrogen produc-tion. International Journal of Hydrogen Energy 34, 1218–1225


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raggiunte nei vari stadi del ciclo. Considerando chesono prodotte 0,57 kmoli di idrogeno al secondocon un potere calorifico di 285,8 kJ per mole, e chela PCS è in grado di erogare circa 209,7 MWe di cui43,8 sono necessari per il compressore, la resa diconversione teorica è:

η =(0,57*285,8) MWH + (209,7-43,8) MWe

=600 MWt

162,9 MWH + 165,9 MWe= 54,8%

600 MWt

dio (punto 6, tabella 4) e 519,2 kJ dall’acqua (pun-to 7, tabella 4) per un totale di 1.015,2 kJ. Quindioccorrerà fornire circa 76,8 kJ per mole di idrogeno,sotto forma di energia elettrica per la compressio-ne dei vapori. L’HTGR è in grado di fornire 600MWt mentre le tre trasformazioni endotermichealimentate direttamente dal calore scambiato dal-l’elio del secondario assorbono circa 1.052,6 kJ permole, per cui la quantità di idrogeno che si potràgenerare è pari al loro rapporto e vale 570 molisec–1, cioè circa 4,1 ton h–1. La figura 1 mostra iflussi di elio e di acqua, il calore e le temperature

Figura 1Flow sheet energetico del ciclo NISFonte: ENEA

N.B. Il flusso di elio in entrambi i circuiti è di 80 kg sec-1. I numeri dentro i cerchi corrispondonoalle temperature (in °C) ed al flusso di acqua di raffreddamento (in kg sec–1). I numeri traparentesi all’interno dei rettangoli rappresentano i MW in gioco nelle rispettive reazioni.


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reattore R-5, anch’esso operante a 120 °C, doveè neutralizzata con una quantità stechiometrica diossido di nichel, contenuta nel deposito D-1. La soluzione risultante di ioduro di nichel, iodio eacqua è trasferita nel deposito D-2 dal quale vie-ne pompata tramite P-1 all’evaporatore R-6 attra-verso lo scambiatore di calore HEX-1. Durante talepassaggio la temperatura della soluzione incremen-

L’impianto di produzioneUna dettagliata descrizione del layout di impiantoè rappresentata in figura 2. La miscela di acidosolforico ed iodidrico prodotta nel reattore R-1 ope-rante a 120 °C in presenza di un eccesso di acquae di iodio, è convogliata nel separatore S-1 dove sidivide in una fase solforica più leggera ed una iodi-drica più pesante. La fase iodidrica è trasferita nel

Pier Paolo Prosini

Figura 2Layout di impianto per la produzione di idrogeno tramite il ciclo NISFonte: ENEA


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sa e la soluzione è inviata al reattore di BunsenR-1. L’ossigeno è eliminato dall’alto di T-1. Infine ilnichel ossido prodotto dalla decomposizione delsolfato è raffreddato tramite lo scambiatore HEX-5 e stoccato nel deposito D-1.

Conclusioni

I più recenti programmi per lo sviluppo di reattori agas ad alta temperatura di nuova concezione so-no indirizzati alla realizzazione di reattori con noc-ciolo anulare (VHTR-2 in particolare) che permet-tono di sviluppare, per singolo reattore, potenzefino a 600 MWt. Anche se il sistema di produzio-ne di energia elettrica, quello di scambio termicointermedio ed il layout di impianto differiscono sen-sibilmente, tutti i programmi prevedono lo sviluppodi un impianto di produzione di idrogeno tramitescissione dell’acqua. Le attività di ricerca sono fina-lizzate alla diminuzione del costo energetico di pro-duzione dell’idrogeno ed alla ottimizzazione dellayout di impianto. La cogenerazione di idrogeno edelettricità, oltre a differenziare l’offerta energetica,permetterebbe di immettere in rete solo la quan-tità di energia necessaria, stoccando la rimanentecome idrogeno. Questo potrebbe essere generatoin quantità e a costi tali da permettere il suo usoper la trazione automobilistica, rendendo sostenibi-le il sistema dei trasporti. In ENEA sono sati effet-tuati numerosi studi per la generazione di idrogenodall’acqua tramite cicli termochimici. Tra questi ilciclo NIS è contraddistinto da una alta resa di tra-sformazione energetica e da una impiantistica rela-tivamente semplice. Sviluppato originariamente peressere alimentato da energia solare concentrata, ilciclo NIS può essere facilmente modificato per po-ter utilizzare energia termica prodotta da reattorinucleari di IV generazione. L’accoppiamento del ci-clo NIS con reattori da 600 MWt dotati di un siste-ma di cogenerazione dell’elettricità permettereb-be di ottenere circa 4,2 t/h di idrogeno, corrispon-denti a 169,9 MWh ed una equivalente quantitàdi energia sotto forma elettrica, con un rendimen-to globale collettivo di oltre il 54%.

ta fin quasi a 180 °C. R-6 è un evaporatore multipiatto a letto fluido con tubi di scambio verticali,operante a 180 °C. I vapori di iodio ed acqua chesi originano da R-6, sono compressi nel compres-sore C-1 per aumentarne il contenuto entalpicoin modo da recuperare il calore latente di lique-fazione. I vapori compressi sono inviati alla ser-pentina interna di R-6 dove scambiano calore conla soluzione salina, condensando e determinan-do l’evaporazione dell’acqua e dello iodio. Il con-densato è quindi inviato allo scambiatore HEX-1,prima di raggiungere R-1, per preriscaldare la fa-se iodidrica. Lo ioduro di nichel solido che si formaalla base di R-6 è raccolto nel deposito D-3 e daquesto inviato al reattore di decomposizione R-7che opera tra 770 e 710 °C, alimentato dall’eliodel circuito secondario. R-7 è un reattore a fornorotante in cui i vapori di iodio, che si originanodalla decomposizione, fluidizzano lo ioduro solido.I vapori di iodio sono raccolti in alto da R-7, trami-te la pompa P-2, ed il calore in esso contenuto èrecuperato tramite lo scambiatore HEX-2. Al ter-mine del reattore R-7 vi è uno scambiatore di ca-lore HEX-3 che recupera il calore sensibile del ni-chel metallico prima che questo venga deposita-to in D-4. Il nichel metallico è quindi introdottoin R-2. L’acido solforico proveniente dal separa-tore S-1 è quindi inviato nel reattore per la pro-duzione dell’idrogeno. Al termine della reazione,nel reattore rimane solfato di nichel esaidrato. Ilsolido è convogliato nel deposito D-5 dal qualeviene prelevato per alimentare il reattore di de-composizione R-4. Prima di raggiungere la zonadi decomposizione, il solfato è preriscaldato nelreattore R-3 al fine di renderlo anidro. Entrambii calori necessari per la disidratazione e la decom-posizione sono forniti dall’elio del circuito secon-dario. I vapori di acqua, anidride solforosa ed os-sigeno fluidizzano il letto del reattore e sono pom-pati tramite P-3 per essere inviati allo scambiato-re HEX-4. All’uscita dello scambiatore di calore sitrova la torre di abbattimento T-1 alimentata an-che con l’acqua che sarà poi convertita in idroge-no ed ossigeno. L’acqua scioglie l’anidride solforo-

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