Rystad Energy prevede che la maggior parte dei nuovi progetti di produzione di idrogeno abilitati per la CCS in questo decennio utilizzeranno l’ATR, portandolo ad avere una quota di mercato del 37% entro il 2030 rispetto all’attuale zero
La produzione di idrogeno blu dagli idrocarburi e il sequestro o l’utilizzo della CO2 è uno dei modi per passare alla produzione finale su larga scala di idrogeno da fonti rinnovabili. Entro il 2030 si prevede che la produzione di idrogeno blu raggiungerà circa 22 milioni di tonnellate all’anno (Mtpa) a livello globale e rappresenterà il 46% della produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio, sulla base dei progetti pianificati.
I 4 METODI DI CATTURA DELLA CO2 NELLA PRODUZIONE DI IDROGENO
Esistono 4 opzioni principali per catturare la CO2 durante la produzione di idrogeno: steam metan reforming (SMR), gassificazione del carbone, reforming autotermico (ATR) e ossidazione parziale (POX). Attualmente, circa l’84% di tutto l’idrogeno prodotto a livello globale utilizza il processo SMR, mentre il resto utilizza la gassificazione del carbone. Tuttavia, l’ATR sta guadagnando popolarità grazie al suo elevato potenziale di cattura della CO2 e alla sua superiore efficienza energetica.
Di conseguenza, Rystad Energy prevede che la maggior parte dei nuovi progetti di produzione di idrogeno abilitati per la CCS in questo decennio utilizzeranno l’ATR, portandolo ad avere una quota di mercato del 37% entro il 2030 rispetto all’attuale zero. In termini di focus regionale e progetti in cantiere, l’ATR sarà più popolare negli Stati Uniti e in Europa, che hanno fissato degli obiettivi net zero sostenuti da politiche e incentivi finanziari.
IL PROCESSO SMR: STEAM METAN REFORMING
L’SMR comporta la reazione del gas naturale con il vapore in presenza di un catalizzatore ad alte temperature per produrre idrogeno. Quando la CO2 emessa nel processo non viene ridotta, l’idrogeno risultante viene indicato come “idrogeno grigio”. Se la CO2 viene catturata e immagazzinata/utilizzata, l’idrogeno prodotto è noto come “idrogeno blu”.
In un’unità di produzione di idrogeno convenzionale basata su SMR, ci sono due flussi di CO2. Circa due terzi della CO2 è in forma concentrata durante la produzione di idrogeno, il restante terzo viene generato in forma diluita nei gas di scarico della combustione del gas naturale per il riscaldamento. Questo secondo flusso generalmente non viene catturato, risultando in un intervallo di acquisizione complessivo di circa il 60%. Se si dovesse catturare la CO2 dai fumi – un processo molto costoso a causa delle basse concentrazioni legate alle leggi della termodinamica – sarebbe possibile ottenere un tasso di cattura complessivo di circa il 90%.
IL PROCESSO ATR: REFORMING AUTOTERMICO
Il processo ATR combina la produzione di idrogeno e il riscaldamento in un unico reattore, ottenendo un unico flusso concentrato di CO2. Rispetto all’SMR, questo riduce il costo della cattura della CO2 e aumenta il potenziale tasso di cattura al 90% e oltre.
Anche l’efficienza energetica complessiva dell’ATR è maggiore, poiché l’energia richiesta sotto forma di calore è fornita principalmente dalla reazione esotermica. Inoltre, l’ATR ha tempi di avvio e risposta più rapidi per le operazioni transitorie.
Nell’ATR viene fornito ossigeno puro per la combustione che si traduce in un flusso concentrato e ad alta pressione di CO2, facilitando l’integrazione della cattura del carbonio. Quando si tratta di ATR, la necessità di pretrattare il gas di alimentazione richiede investimenti significativi, con la necessità di un impianto di produzione di ossigeno che rende anche la tecnologia costosa rispetto a SMR e POX.
Nello sviluppo dei mercati del carbonio, i prezzi del carbonio potrebbero compensare la maggiore spesa in conto capitale (capex) dell’ATR, dati i suoi tassi di cattura più elevati. Negli Stati Uniti, l’Enbridge Ingleside Energy Center (EIEC), con sede in Texas, sta cercando di commissionare un progetto CCS utilizzando l’ATR nel 2029. Questo progetto avrà una capacità nominale di 1,4 Mtpa di idrogeno blu e punta a catturare il 95% della CO2 generata dal processo produttivo.
La maggior parte dei progetti ATR mira ad un rapporto di cattura di CO2 del 95%, come nel caso del progetto proposto H2H Saltend nel Regno Unito e del progetto Air Products Hydrogen Energy Complex in Canada.
IL PROCESSO POX: OSSIDAZIONE PARZIALE
La POX si verifica quando una miscela sub-stechiometrica di ossigeno e idrocarburi viene bruciata in un reformer per ottenere syngas ricco di idrogeno. Il processo POX non richiede vapore che viene generato utilizzando il recupero del calore di scarto della reazione. Sebbene attualmente non sia ampiamente utilizzato, Shell sta pianificando di installare la tecnologia POX basata sul gas naturale nel prossimo progetto Zero Carbon Humber nel Regno Unito. Anche Grannus implementerà la tecnologia POX nel progetto Carbon TerraVault 1, con sede in California.
La gassificazione del carbone detiene attualmente una quota di mercato del 13% dell’idrogeno prodotto dotato di CCS. Tuttavia, è il processo ad alta intensità di emissioni e sarà utilizzato solo in una manciata di imminenti progetti di idrogeno blu, come il progetto statunitense Wabash CCS, che catturerà 1,65 Mtpa di CO2 producendo 0,3 Mt di idrogeno a partire dal 2027.
L’installazione di CCS richiede un lungo tempo di consegna prima di un ritorno sull’investimento, ed è significativo solo per gli impianti che prevedono di continuare a produrre idrogeno per decenni a venire, il che non è il caso degli impianti a carbone.
IL SISTEMA ATR È DESTINATO A CRESCERE
L’ATR – che, con la sua maggiore efficienza energetica e maggiore efficienza di produzione di idrogeno rispetto a POX, unisce il meglio di SMR e di POX – porterebbe a pensare che la maggior parte dei nuovi impianti di produzione di idrogeno abilitati CCS adottino questa tecnologia.
Quest’anno, l’84% (3,7 Mt) di idrogeno blu sarà prodotto utilizzando il processo SMR, con i restanti 0,5 Mt e 0,2 Mt prodotti rispettivamente dalla gassificazione del carbone e dalla gassificazione del petcoke. La gassificazione del petcoke non è inclusa nei quattro metodi principali discussi e ha un solo progetto operativo.
Entro il 2030, si prevede che l’ATR aumenterà la sua quota di mercato fino al 37% e rappresenterà circa 8,2 Mt di produzione annua di idrogeno blu. Inoltre, tutti i nuovi progetti basati su ATR saranno progetti greenfield. Alcuni progetti che contemplano ATR con CCS sostituiranno gli impianti SMR esistenti, come Baytown e IGP Blue Methanol, ma l’unità ATR sarà nuova. La metà dei progetti SMR nel 2030 sarà brownfield.
I FORNITORI DI ATR
Topsoe, Johnson Matthey e Air Liquide sono tra i principali fornitori di ATR in tutto il mondo. Data la portata di questo crescente mercato, Rystad Energy prevede che verranno create delle partnership per sviluppare e ridimensionare la tecnologia ATR; ad esempio, Technip Energies e Casale si sono unite per concedere in licenza la tecnologia ATR. Inoltre, anche Thyssenkrupp e KBR – attori dominanti nel mercato SMR – forniscono tecnologia ATR.
Con delle normative più severe e l’ambizione di raggiungere lo zero netto entro il 2050, l’Europa e il Nord America insieme rappresentano il 53% del mercato SMR basato su CCS. Entro il 2030, le due regioni rappresenteranno il 100% del mercato ATR, in base alla produzione operativa prevista e guidate da ambizioni, politiche e finanziamenti di elevata decarbonizzazione. I restanti progetti basati su SMR saranno in Asia (31%) e in Medio Oriente e Africa (17%). Ad oggi, ci sono solo 4 progetti (due operativi e due pianificati) basati sulla gassificazione del carbone e 3 progetti pianificati basati sul POX.