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Produzione di bioidrogeno: modelli predittivi del limite inferiore di infiammabilità della miscela gassosa

La produzione biologica di idrogeno attraverso la Dark Fermentation (DF), usando acque reflue e rifiuti solidi organici è un processo attrattivo per la produzione di energia dai rifiuti.Infatti, il bioidroigeno è considerato come una fonte rinnovabile di energia. La DF produce una miscela gassosa infiammabile, che potrebbe formare atmosfere potenzialmente esplosive in caso di rilasci accidentali.

Con riferimento a questo pericolo, l'articolo illustra due modelli predittivi finalizzati a stimare il limite inferiore di infiammabilità della miscela, perché tale parametro è molto importante per classificare le zone Atex nei luoghi di lavoro. Il rapido sviluppo socio-economico richiede un approvvigionamento energetico costante, che è fondamentale per mantenere il nostro tenore di vita, attualmente ancora soddisfatto, in larga parte,da fonti non rinnovabili.

Le previsioni dell'International Energy Outlook della US EIA (Energy Information Administration) stimano un incremento del consumo energetico globale di quasi il 50% entro il 2050. Pertanto, non sarà più possibile ricorrere solamente alle fonti fossili per soddisfare il fabbisogno energetico mondiale. In questo scenario, dominato dall'esaurimento dei combustibili fossili, dal riscaldamento globale e dall'inesorabile aumento della domanda energetica, l'idrogeno (H2) può diventare una soluzione molto promettente, poiché è in grado di immagazzinare grandi quantità di energia all'interno del suo legame chimico.

A ciò va aggiunto che la Commissione Europea lo considera una "priorità fondamentale" per l'attuazione della transizione energetica in Europa. Un dato molto rilevante, che ci consente di comprendere il grande vantaggio, derivante dal suo uso come combustibile, è la sua elevata densità di energia massica (143 MJ/kg). Infatti, l'energia prodotta da 1 kg di H2 è circa pari a quella ricavabile da quasi 4 kg di benzina.

Altre importanti proprietà dell'idrogeno sono il basso punto di infiammabilità (-231 °C) e l'elevato numero di ottano (>130). I problemi legati al suo utilizzo sono principalmente l'estensione del suo campo di infiammabilità (concentrazione volumetrica in aria compresa tra il 4% ed il 77%) e ciò potrebbe generare atmosfere potenzialmente esplosive in caso di suoi rilasci accidentali, e la sua produzione. Infatti, l'H2 è classificato come vettore energetico secondario, cioè, per essere ricavato, sono necessarie altre forme di energia.

Attualmente, circa il 95% dell'idrogeno viene generato da metodi basati sull'impiego di combustibili fossili. Tra questi il ruolo predominante è ricoperto dallo steam reforming del metano, dal quale si produce "l'idrogeno grigio". È, però, fondamentale evidenziare che solamente "l'idrogeno verde", viene considerato una fonte rinnovabile e pertanto può contribuire in modo fattivo alla transizione energetica.Le strade percorribili per produrre H2 verde sono essenzialmente due: l'elettrolisi, in cui si impiega l'energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, e la produzione biologica (bioidrogeno), sfruttando principalmente la fermentazione di substrati organici.

La prima modalità è ancora poco diffusa a causa dei costi elevati (circa 6-7 ?/kg H2 prodotto rispetto all'1,25-1,5 ? richiesti per
ricavare 1 kg di H2 grigio), mentre la seconda è in fase di sviluppo e studio su scala pilota. La produzione di biodrogeno (bio-H2) attraverso la Dark Fermentation (fermentazione in assenza di luce) di biomasse o rifiuti organici presenta diversi vantaggi ambientali rispetto alla sua generazione mediante l'elettrolisi dell'acqua.
Infatti, la Dark Fermentation (DF) utilizza risorse rinnovabili o rifiuti, che necessitano obbligatoriamente di trattamento.

Considerando complessivamente le diverse energie rinnovabili disponibili, quella potenzialmente ricavabile dalla frazione organica dei rifiuti solidi urbani (Forsu), tra cui la produzione di bio-H2 da DF, potrebbe contribuire significativamente al fabbisogno energetico europeo nei settori del riscaldamento e dei trasporti. La produzione biologica di H2 da fonti rinnovabili è un ramo emergente rispetto alle tecnologie basate sull'utilizzo di combustibili fossili.

Pertanto, la maturità di questo processo produttivo è ancora relativamente acerba, così come la comprensione degli aspetti chiave, che possono massimizzare la sua produzione è, al momento, incompleta. Tuttavia, la DF, finalizzata alla produzione di bioidrogeno, risulta particolarmente attrattiva sia per la sua semplicità e lo sfruttamento di risorse rinnovabili che per i costi contenuti. Il presente articolo, focalizzando l'attenzione sulla produzione di bio-H2 da DF, descrive dei modelli predittivi per la stima del limite inferiore di infiammabilità (LFL) di miscele gassose, poiché il prodotto della fermentazione acidogenica è una miscela di gas infiammabili, contenente l'idrogeno.

Il LFL riveste un ruolo importante ai fini della sicurezza industriale, perché influenza anche la determinazione del grado di diluizione, che è uno dei tre parametri richiesti dalla Norma tecnica CEI 31-87 per classificare le zone ATEX nei luoghi di lavoro.

PARAMETRI DI ESPLOSIVITÀ DELL'IDROGENO
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