La produzione di idrogeno è industrialmente attuata dagli idrocarburi e dai combustibili fossili attraverso un processo chimico. L'idrogeno può anche essere estratto dall'acqua attraverso produzione biologica nelle alghe bioreattori, o utilizzando l'elettricità (via elettrolisi) o calore (per termolisi); questi metodi oltre a consumare tantissima acqua dolce sono anche meno efficienti per una produzione in grandi quantità rispetto al processo chimico derivante dagli idrocarburi. La scoperta e lo sviluppo di metodi meno costosi per la produzione su vasta scala di idrogeno accelererebbe lo sviluppo di un'economia a idrogeno. La produzione di idrogeno può essere vista come il punto di partenza in un circolo chiuso che utilizza l'idrogeno come vettore di energia rinnovabile.
Da idrocarburi
Il fatto che l'idrogeno sia l'elemento più abbondante dell'universo potrebbe far pensare che sia estremamente facile produrlo, ad esempio estraendolo dall'acqua. Se questo è vero in linea teorica, nella pratica attualmente il modo più economico per produrre questo elemento consiste nell'utilizzo di petrolio o di altri combustibili fossili. Infatti, circa il 97% dell'idrogeno prodotto è ottenuto dai combustibili fossili, mentre soltanto un 3% si ottiene tramite l'elettrolisi dell'acqua. Questo processo, se condotto utilizzando combustibili fossili, porta all'emissione di elevate quantità di CO2, le quali finiscono per aumentare il bilancio termico della terra e l'effetto serra. Alternativamente, fonti di energia alternativa possono essere utilizzate come energia di input al processo di elettrolisi dell'acqua.
L'idrogeno può essere ottenuto con molti metodi, però i più economici sono rappresentati dall'estrazione a partire dagli idrocarburi.
Spesso, l'idrogeno è prodotto e consumato nello stesso processo di fabbricazione, senza bisogno di essere separato. Nel processo Haber-Bosch per la sintesi dell'ammoniaca (il quinto composto maggiormente prodotto al mondo), l'idrogeno si ottiene a partire dal gas naturale.
L'idrogeno può essere generato dal gas naturale con un'efficienza approssimativa dell'80%, o da altri idrocarburi con diversi gradi di efficienza. Il metodo di conversione degli idrocarburi rilascia gas serra nell'atmosfera. Dal momento che la produzione è concentrata in una funzione, è possibile separare i gas e disporre di essi in modo conveniente, per esempio iniettandoli in un bacino di petrolio o gas, nonostante questo non sia fatto attualmente nella maggior parte dei casi. Un progetto di iniezione di biossido di carbonio è stato avviato dalla compagnia Norvegese StatoilHydro nel Mare del Nord, al campo Sleipner.
Steam reforming
La produzione su vasta scala dell'idrogeno avviene solitamente mediante il processo di reforming del gas naturale (o "steam reforming").
Tale processo consiste nel far reagire metano (CH4) e vapore acqueo (H2O) ad una temperatura intorno a 700–1100 °C, per produrre syngas (una miscela costituita essenzialmente da monossido di carbonio e idrogeno), secondo la reazione:
CH4 + H2O → CO + 3 H2 -191,7 kJ/mol
Il calore richiesto per attivare la reazione è generalmente fornito bruciando parte del metano.
La reazione è favorita a basse pressioni, tuttavia si fa avvenire a pressioni elevate (20 atm) visto che l'H2 così ottenuto è il prodotto più commercializzabile. Il mix di prodotto è noto come gas di sintesi perché è spesso utilizzato direttamente per la produzione di metanolo ed altri composti correlati. A parte il metano, possono essere utilizzati altri idrocarburi per ottenere il Syngas con diverse proporzioni dei componenti prodotti. Una delle complicazioni che si incontrano con questa tecnologia altamente ottimizzata è la formazione di coke o carbonio:
CH4 → C + 2 H2
Per evitarlo, il vapore si riforma in genere utilizzando un eccesso di H2O.
In questo processo può essere ottenuto ulteriormente idrogeno a partire dal monossido di carbonio, mediante una reazione di spostamento del gas d'acqua dell'acqua gassosa, specialmente con un catalizzatore in ossido di ferro. Questa reazione è impiegata industrialmente come fonte di biossido di carbonio:
CO + H2O → CO2 + H2
Monossido di carbonio
Ulteriore idrogeno può essere recuperato dal monossido di carbonio (CO) attraverso la reazione di spostamento del gas d'acqua, che si ottiene a circa 450 °C:
CO + H2O → CO2 + H2 + 40,4 kJ/mol
Essenzialmente, l'atomo di ossigeno (O) è strappato dall'acqua (vapore) per ossidare il carbonio (C), liberando l'idrogeno precedentemente legato a carbonio e ossigeno.
Gassificazione del carbone
Un'altra via industriale per produrre idrogeno è la gassificazione del carbone, in cui il carbone viene trasformato in una miscela di syngas e metano, nota anche come town gas (gas di città). Tale processo prevede il trattamento del carbone con vapore acqueo (processo del gas d'acqua):.
C + H2O → CO + H2
Tale reazione può servire come preludio della reazione di spiazzamento durante il reforming del gas naturale.
la reazione è endotermica, ossia richiede calore per compiersi; il calore viene fornito miscelando al vapore acqueo una frazione di ossigeno in modo che avvenga contestualmente anche la reazione esotermica (che genera calore)
C + O2 → CO2
L'ossido di carbonio prodotto nel primo stadio viene successivamente trattato con altro vapore acqueo a 400-500 °C su catalizzatore a base di ossidi di ferro e di cobalto:
CO + H2O → CO2 + H2
La miscela gassosa ottenuta viene quindi purificata per distillazione frazionata.
Ossidazione parziale degli idrocarburi
Altri metodi importanti per la produzione di H2 includono l'ossidazione parziale degli idrocarburi:
CH4 + 0,5 O2 → CO + 2 H2
Cracking
L'idrogeno è ottenuto in quantità significative come sottoprodotto della maggior parte dei processi petrolchimici di cracking.
Dall'acqua Produzione biologica
Il bioidrogeno può essere prodotto mediante alghe (bioreattori). Alla fine degli anni novanta si scoprì che se le alghe venivano private dello zolfo esse cessavano di produrre ossigeno attraverso la normale fotosintesi per produrre idrogeno.
Sembra che questo metodo sia ora economicamente fattibile superando la barriera del 7-10% di efficienza energetica (la conversione della luce solare in idrogeno).
Il bioidrogeno può essere prodotto in bioreattori che utilizzano materia differente dalle alghe, soprattutto materiali di scarto. Il processo coinvolge batteri che si alimentano di idrocarburi e che producono idrogeno e CO2. Il CO2 può essere sequestrata con successo in vari modi, lasciando solamente l'idrogeno gassoso. Un prototipo di bioreattore per l'idrogeno che utilizza i rifiuti come substrato è operativo al Welch's grape juice factory nel North East, Pennsylvania.
Elettrolisi
L'elettrolisi permette la produzione di idrogeno dall'acqua con l'utilizzo di una generica fonte elettrica, evitando l'utilizzo di materie prime fossili. Quando l'elettricità proviene da fonti rinnovabili, l'idrogeno così ottenuto viene definito verde (dall'inglese green hydrogen) che in realtà non è verde in quanto consuma acqua. In un'economia basata sull'idrogeno, questa tecnologia rappresenta una leva fondamentale per la decarbonizzazione dei principali settori industriali ad alta intensità di consumo di idrogeno, come le raffinerie e l'industria chimica, che attualmente si affidano prevalentemente al reforming del metano con vapore. L'idrogeno verde è inoltre considerato strategico per la decarbonizzazione del settore dei trasporti e come vettore per l'accumulo energetico sotto forma di energia chimica.
Mediamente per produrre 1 kg di idrogeno occorrono dai 50 ai 65 kWh di energia con il metodo classico e 200 kg di acqua. Un elettrolizzatore ad acqua ideale con un'efficienza del 100% consumerebbe circa 155 litri di acqua dolce e 39,4 kWh per ogni kg di idrogeno.
Nel 2014, il DOE, Dipartimento dell'energia statunitense, ha raccomandato un limite per il 2020 di 43 KWh di consumo di energia elettrica per kg di idrogeno prodotto.
Una tecnica messo a punto dall'Iccom-CNR prevede il consumo di 18,5 kWhː questa tecnica vede la produzione di idrogeno a partire da una soluzione acquosa di alcoli come etanolo, glicerolo o altri alcoli estratti da biomasse. La reazione avviene in quello che è stato definito un "elettrolizzatore anodico" costituito da nanoparticelle di palladio, depositati su architetture tridimensionali di nanotubi di titanio.
In alcuni Paesi, come in Germania, l'idrogeno è impiegato per assorbire i picchi di produzione tipici delle fonti rinnovabili, in particolare, nel caso della Germania, la produzione dell'idrogeno si attiva mediante al surplus energetico prodotto dai parchi eolici: il progetto tedesco di Prenzlau è capace di generare 120 metri cubi di idrogeno all'ora. Non solo Germania, la società canadese FireWater Fuel, ha sviluppato un innovativo sistema che sfruttando dei catalizzatori a buon mercato riesce a produrre idrogeno dal surplus energetico degli impianti eolici e fotovoltaici, grazie a questo processo, l'energia prodotta durante le ore di picco può essere ridistribuita nella rete quando la domanda elettrica aumenta.
La produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua, se attuata con elettrolizzatore anodico, regala dei "sottoprodotti" interessanti da poter commercializzare in diversi settori industriali. L'elettrolizzatore produce idrogeno e composti utili in vari settori:
-nell'industria cosmetica e tessile potrebbero essere impiegati i derivati del glicerolo e del glicole etilico
-nell'industria alimentare potrebbe essere impiegato l'acetato ricavato dal bioetanolo
-l'acido lattico dal propandiolo è ampiamente usato per la produzione di plastiche biodegradabili.
Tale innovazione è in fase di sperimentazione, pertanto attualmente il metodo più diffuso per la produzione di idrogeno resta quello per steam reforming..
L'idrogeno puro al 99% può essere prodotto dall'aria umida al 4%. Ricercatori dell'Università di Melbourne hanno ottenuto 745 litri di idrogeno al giorno per metro quadrato di elettrodi, mediante 5 moduli collegati in parallelo,che connettevano una spugna o schiuma a un elettrolita liquido igroscopico ionico, imbevuto in un mezzo poroso come quello che assorbe l'umidità. Il problema della produzione di idrogeno dall'aria è il costo dei materiali dell'elettrolita.
Elettrolisi dell'acqua
L'elettrolisi dell'acqua è un metodo semplice per produrre idrogeno. Una corrente a basso voltaggio che attraversa l'acqua forma ossigeno gassoso all'anodo ed idrogeno gassoso al catodo. Generalmente quando si produce idrogeno si impiega un catodo di platino o di un altro metallo inerte. Al contrario, se l'idrogeno si consuma in situ, è necessaria la presenza di ossigeno perché si produca la combustione ed entrambi gli elettrodi (anodo e catodo) dovranno essere di un metallo inerte (l'impiego di un metallo non inerte, per esempio il ferro, produrrà l'ossidazione del metallo stesso e diminuirà la quantità di ossigeno che si sviluppa). La massima efficienza teorica (rapporto tra il valore energetico dell'idrogeno prodotto e l'elettricità impiegata) è tra l'80% (50 kWh/kg) ed il 94% (42 kWh/kg).
2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
Elettrolisi ad alta temperatura
Quando la fonte di energia è nella forma di calore (termico solarequello studiato da Carlo Rubbia, nucleare, o cogenerazione per la combustione dei rifiuti), il processo per ottenere l'idrogeno si dice elettrolisi ad alta temperatura. Contrariamente all'elettrolisi a bassa temperatura, quest'ultima modalità converte una quantità maggiore dell'energia termica iniziale in energia chimica, raddoppiando potenzialmente l'efficienza a circa il 50%. Dal momento che parte dell'energia nell'elettrolisi ad alta temperatura viene fornita sotto forma di calore, una porzione minore di energia dev'essere convertita due volte (da calore in elettricità, e poi in energia chimica), e quindi meno energia viene dispersa.