Idrogeno e Nucleare: una combinazione vincente?

Ad oggi la tipologia di idrogeno maggiormente impiegata nelle applicazioni industriali e commerciali è prodotta da fonti fossili, soprattutto dal gas metano, attraverso un processo chiamato steam reforming, che genera anidride carbonica come sottoprodotto.

L’idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da fonti rinnovabili, è la soluzione più ecologica ma, come ben sappiamo, attualmente ha costi più elevati e una produzione limitata.

Questa tecnologia, esistente dalla metà del 19° secolo, richiede insieme all’acqua, calore ed energia elettrica, il che lo rende interessante per i gestori di centrali nucleari e di energia rinnovabile, che possono trovarsi a vendere energia a prezzi bassi o negativi nei momenti in cui la produzione supera la domanda. 

Secondo una relazione dell’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (AIEA), la produzione di idrogeno offre potenzialmente una nuova opportunità di mercato per settore del nucleare.

L’idrogeno verde oggi

Le tecnologie di elettrolisi attuali includono:

• Celle alcaline: impiegano catalizzatori economici, generalmente a base di metalli non nobili, e operano in ambiente alcalino, offrendo una soluzione collaudata e affidabile per la produzione di idrogeno;
• Celle PEM (Proton Exchange Membrane): grazie alla loro capacità di operare ad alta pressione, garantiscono un consumo energetico ridotto e la produzione di idrogeno ad elevata purezza, risultando ideali per applicazioni che richiedono prestazioni superiori;
• Celle AEM (Anion Exchange Membrane): sfruttano una membrana a scambio anionico semipermeabile, che facilita il trasporto degli ioni OH⁻ e la separazione delle molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno, offrendo un’alternativa promettente con costi inferiori rispetto alle PEM.

L’elettrolisi ad alta temperatura sfrutta invece una cella a ossido solido (SOEC), un dispositivo che necessita di energia termica ed elettrica per funzionare.

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Questo sistema è particolarmente indicato per applicazioni avanzate, come i reattori nucleari ad alta temperatura o i reattori ad acqua leggera, dove il calore residuo può essere recuperato e ottimizzato per migliorare l’efficienza complessiva del processo.

Uno studio dell’Università di Purdue (USA) ha analizzato le prestazioni termiche e operative di diversi tipi di reattori, valutando anche i requisiti tecnici delle principali metodologie di produzione di idrogeno, tra cui reforming del metano a vapore, elettrolisi a bassa e alta temperatura e cicli termochimici.

Attraverso un’accurata correlazione tra temperature, flusso di calore e potenza, lo studio ha esaminato le strategie di integrazione tra produzione nucleare e idrogeno, identificando le soluzioni più promettenti per un utilizzo efficiente e sicuro.

In base allo studio, l’elemento chiave per integrare un reattore nucleare con la produzione termochimica di idrogeno (come l’elettrolisi) è uno scambiatore di calore interno (IHX).

Questo componente non solo fornisce il calore necessario all’impianto chimico, ma svolge anche una funzione essenziale di interfaccia e isolamento, separando il sistema termochimico dal reattore nucleare e garantendo sicurezza ed efficienza operativa.

Quando una centrale nucleare è accoppiata a un impianto di elettrolisi, diventa cruciale comprendere la risposta dell’impianto chimico in caso di eventi transitori, per garantire la sicurezza dell’intero sistema nucleare.

Uno degli scenari più critici in un reattore nucleare è un incidente con perdita parziale di refrigerante, un evento che può evolvere in un grave incidente. In questi casi, un brusco cambiamento nella portata del refrigerante rappresenta una significativa deviazione operativa.

Periodicamente, può rendersi necessaria un’introduzione d’emergenza di reattività negativa per arrestare una reazione nucleare incontrollata, con conseguente rapida diminuzione della temperatura del refrigerante in uscita dal reattore.

In queste condizioni, è essenziale analizzare l’interazione tra la dinamica dei tassi di reazione chimica dell’impianto di elettrolisi e la velocità di produzione di idrogeno, al fine di prevedere e gestire in sicurezza le variazioni operative che potrebbero influenzare l’intero sistema.

Integrazione idrogeno-nucleare

Come abbiamo visto, l’integrazione degli impianti di produzione di idrogeno con le centrali nucleari esistenti richiede un’attenta pianificazione, progettazione e attuazione per garantire che il processo sia sicuro, efficiente ed economicamente sostenibile.

Gli step fondamentali per questa integrazione idrogeno-nucleare sono:

• Analisi del sito: valutare lo spazio e l’infrastruttura disponibili presso il sito della centrale nucleare per ospitare gli impianti di produzione di idrogeno. Valutare la disponibilità di acqua, che è la materia prima primaria per la produzione di idrogeno verde. Valutare l’infrastruttura esistente e necessaria per supportare la produzione di idrogeno.
• Studio di fattibilità: determinare il metodo ottimale per la produzione di idrogeno da abbinare a una specifica centrale nucleare. Analizzare i profili di potenza elettrica e termica dell’unità nucleare per ottimizzare la produzione di idrogeno durante i periodi di bassa domanda di elettricità
• Valutazione dei rischi: analizzare i rischi associati all’integrazione della produzione di idrogeno, considerando l’infiammabilità e il potenziale di esplosione dell’idrogeno. Garantire che l’integrazione sia conforme alle norme di sicurezza nucleare e non comprometta l’integrità della centrale nucleare. Preparare la documentazione per le revisioni normative e ottenere le licenze e i permessi necessari durante la fase di progettazione e ingegnerizzazione
• Coinvolgimento del pubblico e delle parti interessate: impegnarsi con le comunità locali, le parti interessate e gli organismi di regolamentazione per spiegare i vantaggi e le misure di sicurezza del sistema integrato.
• Analisi delle prestazioni: prendere in considerazione l’implementazione di aggiornamenti che potrebbero migliorare le prestazioni o ridurre i costi. Analizzare i dati operativi per identificare le aree di miglioramento dell’efficienza e dell’efficacia dei costi.
• Pianificazione del fine vita dell’impianto: integrare la pianificazione della fine del ciclo di vita degli impianti di produzione di idrogeno come parte della gestione complessiva del ciclo di vita della centrale nucleare. Sviluppare strategie efficaci per lo smantellamento sicuro dell’infrastruttura dell’idrogeno quando raggiunge la fine del suo ciclo di vita.

Nucleare e solare per la produzione di idrogeno

La ricerca dell’AIEA presenta anche uno studio tecnico-economico sulla produzione di idrogeno elettrolitico, utilizzando come esempio un sistema ibrido nucleare-solare in Algeria.

Pur offrendo flessibilità e affidabilità nella produzione di idrogeno verde, l’integrazione dei sistemi nucleari e rinnovabili rappresenta una sfida complessa.

La presenza di numerosi componenti del sottosistema, le complesse interconnessioni e le interdipendenze tecniche rendono questo processo tutt’altro che semplice, richiedendo un’attenta pianificazione e progettazione.

“Per garantire l’efficace progettazione, implementazione e funzionamento del sistema accoppiato, questa complessità dà origine a numerose relazioni e incertezze che devono essere prese in considerazione durante la fase di progettazione e sviluppo del sistema“, afferma lo studio dell’AIEA.

Le infrastrutture energetiche esistenti influenzano in modo significativo la compatibilità e l’integrazione degli impianti, e quindi la redditività economica e la sostenibilità della produzione di idrogeno.

In un sistema di energia nucleare-solare fotovoltaica che alimenta un elettrolizzatore a bassa temperatura, sia il sottosistema nucleare che quello solare fotovoltaico forniscono elettricità per l’elettrolisi dell’acqua a bassa temperatura per generare idrogeno.

Lo studio ha analizzato la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da un sistema ibrido solare-nucleare, composto da un parco solare e un reattore ad acqua pressurizzata (PWR).

I risultati mostrano che il costo dell’idrogeno varia in base all’irraggiamento solare:

• Basso irraggiamento solare: il costo dell’idrogeno aumenta con una maggiore frazione solare, poiché l’energia solare risulta meno competitiva rispetto al nucleare.
• Alto irraggiamento solare (≥7 kWh/m²): il costo dell’idrogeno diminuisce con l’aumento della frazione solare, grazie alla crescente competitività dell’energia fotovoltaica.

L’integrazione tra nucleare e solare garantisce flessibilità operativa, con il fotovoltaico che aiuta a ridurre il consumo di combustibile nucleare e il nucleare che compensa la variabilità solare.

La ricerca evidenzia inoltre che l’efficienza dei pannelli fotovoltaici ha un impatto significativo: sistemi con bassa efficienza aumentano il costo dell’idrogeno, mentre quelli ad alta efficienza lo riducono.