La ricerca globale di decarbonizzazione ha intensificato la ricerca di vettori energetici sostenibili, con l'emergere di idrogeno come combustibile versatile per il trasporto, l'industria e la generazione di energia elettrica. Tuttavia, i benefici ambientali della cerniera dell'idrogeno sul suo metodo di produzione. Attualmente, la maggior parte dell'idrogeno è derivata dal gas naturale attraverso la riforma del metano di vapore, un processo che emette un significativo diossido di carbonio.

Cos'è l'energia geotermica?

L'energia geotermica è immagazzinata nella crosta terrestre, proveniente dalla formazione del pianeta e dalla decomposizione radioattiva dei minerali. Questo calore è accessibile mediante la perforazione dei pozzi in serbatoi sotterranei di acqua calda o vapore, spesso a profondità di 1 a 3 chilometri o più. La risorsa è classificata dalla temperatura: bassa temperatura (<90°C) for direct heating, medium-temperature (90–150°C) for binary cycle power plants, and high-temperature (>150°C) per le turbine a vapore convenzionali.

Le risorse geotermiche non sono distribuite uniformemente; sono concentrate lungo i confini della placca tettonica, le regioni vulcaniche e le zone di rift. Le aree importanti includono l'anello del Pacifico del Fuoco, la Rift dell'Africa orientale e l'Islanda. Tuttavia, i progressi nei sistemi geotermici avanzati (EGS) stanno espandendo l'accesso all'energia geotermica stimolando la permeabilità nelle formazioni di roccia a caldo secco, potenzialmente sbloccando vaste le vaste risorse a livello globale.

Metodi di produzione dell'idrogeno

L'idrogeno non è una fonte primaria di energia, ma un vettore di energia che deve essere prodotto da altri composti.

  • La riforma del metano di schiuma (SMR): Converte gas naturale e vapore in idrogeno e CO2. Attualmente il metodo più economico e comune, ma emette CO2 da 9 a 12 kg per kg H2. Con la cattura del carbonio (idrogeno blu), le emissioni possono essere ridotte ma non eliminate.
  • Gassificazione carbone:[] Simile al SMR ma al carbone; emissioni ancora più elevate. Raramente considerato sostenibile.
  • Electrolysis:[] Spacca l'acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) utilizzando l'elettricità. Quando l'elettricità è fonte di rinnovabili, l'idrogeno è definito "verde" o "idrogeno rinnovabile". Tre tipi principali di elettrolizzatori esistono:
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    • Membrane elettrolitico polimero (PEM): Risposta più efficiente, compatta e dinamica, ma utilizza costosi catalisti (platino, iridio).
    • Elettrolisi dell'ossido solido (SOE):] Funziona ad alte temperature (700–1.000°C), ottenendo una maggiore efficienza elettrica perché un certo input energetico è il calore. Può coelettrolizzare vapore e CO2. Richiede una temperatura elevata costante, rendendo il calore geotermico un partner ideale.
  • Cicli termochimici:[] Usare il calore direttamente per guidare reazioni chimiche che si dividono l'acqua, senza elettricità. Adatto per temperature molto elevate (>800°C) da geotermico concentrato o avanzato.

Per l'integrazione geotermica, l'elettrolisi, in particolare la SOE ad alta temperatura, offre la sinergia più diretta. Il calore geotermico può fornire l'energia termica necessaria per la generazione e il preriscaldamento del vapore, riducendo la domanda elettrica del processo di elettrolisi e migliorando l'efficienza del sistema generale.

Elettrolisi azionata da geotermia

Come funziona l'integrazione

In un impianto di produzione di idrogeno a geotermia, la risorsa geotermica serve due ruoli: generare energia elettrica per alimentare l'elettrolizzatore e fornire calore diretto per il processo di elettrolisi stessa (soprattutto per SOE).

  1. Il liquido geotermico (brina o vapore) viene estratto dal serbatoio attraverso i pozzi di produzione.
  2. Il fluido passa attraverso uno scambiatore di calore o guida direttamente una turbina in una centrale elettrica geotermica per generare elettricità. Nelle centrali a ciclo binario, la salamoia geotermica riscalda un fluido lavorativo secondario che vaporizza e gira una turbina.
  3. Una parte del calore geotermico può essere utilizzato anche per preriscaldare l'acqua o mantenere l'elettrolizzatore a temperatura ottimale, aumentando l'efficienza complessiva.
  4. L'elettricità proveniente dalla pianta geotermica viene alimentata allo stack elettrolizzatore, che divide l'acqua purificata in idrogeno e ossigeno.
  5. L'idrogeno viene quindi compresso, immagazzinato o trasportato per l'uso in celle a combustibile, processi industriali o come un mangime per combustibili sintetici.

Per le risorse geotermiche ad alta temperatura (100-200°C), gli elettrolizzatori alcalini o PEM sono più appropriati. Per le risorse geotermiche ad alta temperatura (> 250°C), SOE può sfruttare il calore per raggiungere l'efficienza elettrica fino all'80-90% (bassa base di valore di riscaldamento), rispetto al 60-70% per l'elettrolisi alcalina convenzionale.

Efficienza e considerazioni sui costi

Il costo livellato di idrogeno (LCOH) da elettrolisi a 2 dollari dipende da diversi fattori: costo geotermico del capitale vegetale, funzionamento e manutenzione, costo dell'elettrolizzatore, prezzo dell'elettricità e l'efficienza di conversione dell'elettrolizzatore.

Vantaggi dell'utilizzo di energia geotermica per la produzione di idrogeno

Combinando la potenza geotermica con la produzione di idrogeno offre molteplici vantaggi unici che soddisfano le limitazioni di altre vie di idrogeno rinnovabili.

  • Ristrutturazione e sostenibilità:[ L'energia geotermica è praticamente inesauribile su scala temporale umana. Un serbatoio adeguatamente gestito può sostenere la produzione per decenni. A differenza della biomassa, non compete per le risorse terrestri o idriche oltre la fase iniziale di perforazione, e la sua impronta terrestre per MW è molto più piccola delle fattorie solari o eoliche.
  • Emissioni basse e impatto ambientale:[[] Le centrali geotermiche emettono solo circa il 5% della CO2 di un impianto di gas naturale per MWh, e spesso catturano o reiniettono gas non condensabili. L'idrogeno prodotto tramite elettrolisi geotermica può ottenere emissioni di ciclo vitale vicino a zero se i fluidi geotermici sono gestiti correttamente.
  • Potenza di carico per la produzione di idrogeno continuo:[ Gli elettrolizzatori operano in modo più efficiente in condizioni di stato costante; il ciclo frequente a causa di energia intermittente solare o vento può accelerare il degrado e ridurre la durata. Geothermal fornisce una potenza costante e prevedibile, massimizzando l'utilizzo di elettrolizzatore e riducendo il costo effettivo dell'idrogeno.
  • Efficienza energetica elevata Quando si utilizza il calore diretto: Le risorse geotermiche ad alta temperatura possono fornire direttamente l'ingresso termico per cicli SOE o termochimici, essenzialmente trasformando il calore in combustibile con perdite minime di conversione dell'elettricità. Questa coproduzione di elettricità e calore (cogenerazione) migliora l'utilizzo delle risorse globali.
  • L'elettricità e l'idrogeno: Molti progetti geotermici già generano energia elettrica. L'aggiunta di elettrolisi crea una domanda flessibile: quando i prezzi dell'elettricità sono bassi o quando la domanda della griglia è saziata, l'impianto può deviare la potenza alla produzione di idrogeno, servendo come carico economico.
  • Ridotto Consumo d'acqua:[] Diversamente dalla produzione di idrogeno a combustibile fossile, che consuma acqua per la produzione di vapore e il raffreddamento, l'elettrolisi geotermica utilizza l'acqua come materiale di alimentazione. Tuttavia, alcune piante geotermiche producono vapore condensato che può essere utilizzato per l'elettrolisi, riducendo il prelievo di acqua dolce.

Sfide e prospettive future

Hurds attuale

Nonostante la sua promessa, la produzione di idrogeno geotermico deve affrontare diverse barriere che devono essere affrontate per un'espansione diffusa.

  • High Upfront Capital Costs:[] Pozzi di perforazione e costruzione di un impianto geotermico comporta un rischio significativo e spese – spesso $5–10 milioni per bene, con costi di esplorazione per pozzi non riusciti che aggiungono all'incertezza del progetto. L'aggiunta di elettrolisi e compressione dell'idrogeno aumenta ulteriormente i requisiti di capitale.
  • Constraint geografici: Le risorse idrotermali di alta qualità sono limitate a regioni specifiche, spesso lontane dai centri di domanda dell'idrogeno.
  • Gestione acque e minerali:[] I fluidi geotermici contengono spesso minerali disciolti, silice e composti corrosivi che possono foul scambiatori di calore e membrane di elettrolisi.
  • Integrazione elettrolizzante ad alte temperature:[ Mentre SOE promette, è meno maturo rispetto alle tecnologie alcaline e PEM, con una durata più breve e più elevati tassi di degrado dovuti a stress termico e materiale.
  • Le sfide regolamentari e permesse:[] I progetti geotermici affrontano processi di revisione ambientale lunghi, conflitti di uso terra (ad esempio, nei parchi nazionali o nelle terre indigene), e le normative per i diritti dell'acqua complesse.

Le direzioni e la ricerca future

Le prospettive dell'idrogeno geotermico stanno migliorando grazie alle innovazioni tecnologiche e al sostegno politico.

  • I sistemi geotermici avanzati (EGS):] Stimolando la roccia a secco calda attraverso la frattura idraulica, EGS potrebbe creare serbatoi geotermici in molte altre località. L'iniziativa FORGE sta avanzando tecnologie di perforazione e stimolazione per rendere le regioni commerciali di EGS.
  • Tecniche di perforazione avanzate:[] Tecnologie come perforazione laser, perforazione al plasma e perforazione direzionale con turbine a foro inferiore mirano a ridurre i costi di perforazione e aumentare le profondità accessibili.
  • Sistemi geotermici-solari ibridi:[] Combinando geotermico con energia solare concentrante (CSP) può fornire calore estremamente elevato per la produzione di idrogeno termochimico. Il campo solare integra il calore geotermico durante le ore di sole, mentre geotermico fornisce il carico base durante la notte. Tali ibridi potrebbero raggiungere il funzionamento a tutto l'anno con temperature di elettrolisi più elevate.
  • Idrogeno geotermico Hubs: Diversi paesi, tra cui Islanda, Nuova Zelanda, Giappone, e gli Stati Uniti (in particolare nell'area Geysers e nella valle imperiale), stanno esplorando i centri regionali di idrogeno che integrano energia geotermica, elettrolisi e stoccaggio dell'idrogeno.
  • Il potere e il carbonio: La legge sulla riduzione dell'inflazione negli Stati Uniti include un credito fiscale per la produzione di idrogeno (45V) che fornisce fino a 3 / kg per l'idrogeno pulito, con una scala scorrevole basata sulle emissioni del ciclo di vita.

Considerazioni ambientali e sociali

L'uso di acqua per l'elettrolisi deve essere bilanciato con la disponibilità di acqua locale; l'utilizzo di condensa geotermica o di acque reflue urbane trattate può ridurre la domanda di acqua dolce. L'impegno comunitario e la condivisione dei benefici, come l'occupazione locale o il reddito da impianti di vendita di idrogeno, saranno ancora fondamentali per la licenza sociale.

Conclusioni

L'energia geotermica presenta una base di carbonio unica e affidabile per la produzione di idrogeno verde. La sua costante produzione consente un'elettrolisi efficiente e a tutto tondo, mentre le risorse ad alta temperatura possono fornire direttamente calore per processi di elettrolisi termochimica o ad alta temperatura. La combinazione di energia geotermica e produzione di idrogeno affronta le principali debolezze di altre rinnovabili, l'intermittenza, l'uso del suolo e il ridimensionamento, l'offerta di un percorso di un'acciaio duro.

La tecnologia non è ancora matura a livello commerciale, ma i progressi in corso in EGS, la perforazione, gli elettrolizzatori ad alta temperatura e le politiche di supporto stanno rapidamente chiudendo il divario di costo. Con gli investimenti appropriati nell'esplorazione, nella ricerca e nell'infrastruttura, l'idrogeno geotermico potrebbe diventare una pietra angolare di un'economia globale dell'idrogeno.

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