Analisi preliminare di sistemi a idruri metallici per deblending di miscele H2-gas naturale

Abstract

La transizione energetica verso le fonti rinnovabili individua l’idrogeno verde come un vettore energetico promettente per il raggiungimento della neutralità carbonica. Pertanto, è richiesto lo sviluppo di tecnologie in grado di recuperare l'idrogeno immesso nella rete del gas naturale, restituendolo con la purezza necessaria per gli impieghi finali. Il presente lavoro si pone come obiettivo la valutazione della fattibilità tecnica ed economica di un sistema di de-blending mediante idruri metallici, che sfrutta la selettività di assorbimento dell'idruro metallico LaNi5. Nella prima fase sono stati indagati i processi chimici che regolano le fasi di assorbimento e desorbimento e sono state caratterizzate le interazioni tra le specie della miscela e il LaNi5: alcani, idrocarburi superiori ed elio si sono rivelati inerti, mentre risulta che le impurezze, quali O2, H2O, CO e H2S, possono comprometterne le prestazioni e la vita utile già a livello di ppm, rendendo necessario un treno di purificazione a monte. Nella seconda parte, è stato simulato l’intero impianto in ambiente DWSIM e sono state condotte delle simulazioni per sei percentuali di blending (5–30% H2) e diverse temperature di alimentazione. Le simulazioni hanno determinato la massa minima di LaNi5 per il completo assorbimento dell’idrogeno in alimentazione al letto e il fabbisogno termico associato al riscaldatore. L'analisi economica conferma gli idruri metallici come una delle più promettenti tecnologie per la separazione selettiva di idrogeno, ma ne evidenzia i limiti di costo come tecnologia di stoccaggio.

The energy transition toward renewable sources identifies green hydrogen as a promising energy carrier for achieving carbon neutrality. Therefore, the development of technologies capable of recovering hydrogen injected into the natural gas network, restoring it to the purity required for end-use applications, is required. The present work aims to assess the technical and economic feasibility of a metal-hydride-based de-blending system which works on the absorption selectivity of the intermetallic compound LaNi5. In the first phase, the chemical processes governing the absorption and desorption stages were investigated, and the interactions between the species of the mixtures and LaNi5 were characterized: alkanes, higher hydrocarbons, and helium proved to be inert, whereas impurities such as O2, H2O, CO, and H2S were found to compromise its performance and service life even at ppm levels, making an upstream purification train necessary. In the second part, the entire plant was simulated in the DWSIM environment, and simulations were carried out for six blending percentages (5–30% H2) and different feed temperatures. The simulations determined the minimum mass of LaNi5 required for the complete absorption of the hydrogen fed to the bed, as well as the thermal duty of the heater. The economic analysis confirms metal hydrides as one of the best technologies for the selective hydrogen separation, but highlights their cost limitations as a storage technology.