Biomass hydrogen and Green Deal: It is possible to circumvent the Laws of Thermodynamics with an EC directive?

Re-publication of an article by Mario A. Rosé on Agronotizie.

L’European Green Deal (Italian text in This Page), strongly supported by the Von der Leyen administration, is the manifesto that the European political class proposes as a recipe for:

“... build a Europe in which there will be no local pollution, nor loss of biodiversity, nor global impact on the climate, nor energy poverty, businesses will be competitive, the just and prosperous society, and no one will be left behind”.

Read with a critical spirit, purely technical and devoid of ideological bias, the document looks more like a utopian wish list than a guideline, because there is a lack of concrete actions to achieve the set objectives. The content includes several claims that are not supported by any evidence, For example:
“The rapid decrease in the cost of renewable energy, combined with a better definition of support policies, has already reduced the impact of renewable energy on household energy bills” (sic).

The historical series of ARERA (Regulatory Authority for Energy, Networks and Environment), reproduced in the photo 1, deny this claim, at least as far as Italian families are concerned. In the boom years of renewables, an upward trend in the total price is clearly observed, caused by the combined effect of taxes – which remain constant or slightly growing – and system charges that also increase when the price of energy falls.

Figure 1: Official data ofARERA on the trend in the price of electricity to households and its cost items. Source https://www.arera.it/it/dati/eep35.htm, file https://www.arera.it/allegati/dati/ele/eep35new.xls , graphic elaboration by the Author.

The role of hydrogen in the Green Deal

Apart from the point-by-point examination of the Green Deal, in this article we will limit ourselves to analyzing one of the “mantras” of ecological rhetoric: the hydrogen economy. We will then verify the potential of biomass gasification processes and whether they can therefore represent a concrete opportunity for Italian farms.

In the renewable energy sector, the "new hydrogen economy" is the hottest topic of the moment. The most recent news comes from Germany and concerns the inauguration of a train -of Franco-German production- equipped with compressed hydrogen cylinders that feed fuel cells and a fleet of hydrogen buses -of Belgian production- in the town of Hürth (near Cologne). Certainly the new train Coradia iLint it does not emit smoke from its chimney, but it is not clear whether the hydrogen it uses is produced by the German Linde- can be considered "clean". The hydrogen that will power the buses, instead, it is the by-product of a chemical industrial center, but the cited article does not specify whether it is the residual hydrogen from the production of caustic soda - in principle "clean"- or the production of polyethylene or PVC - petroleum-derived products. It is also not clear whether the higher cost of a hydrogen train or bus compared to the simple electrification of the lines is economically justified or through an LCA (life cycle analysis). The image income for French and German politicians, on the other hand, is indisputable. The Green Deal was immediately brought up in the press, despite his 25 pages the word hydrogen appears alone 3 times, specifying -without defining it- that it is "clean hydrogen". In reality, a study of the IEA (International Energy Agency, figure 2) shows that the hydrogen currently on the market is anything but clean: the 73% of world production comes from natural gas, the 26% from coal and only 1% could be assumed to be "clean hydrogen" to which the text of the Green Deal. The IEA study shows that, at the moment, the cost of producing hydrogen with renewable energy - understood as only photovoltaic and wind power, leaving out all other forms- it is prohibitive.

Photo 2: Cost of producing hydrogen from different energy sources
(Photo Source: IEA, Hydrogen production costs by production source, 2018, IEA, Paris)

The author has already expressed some perplexities on the much chat “hydrogen economy” in the articleHydrogen from biomethane, biomethane from hydrogen. Here it is useful to remember that thermodynamics is not an opinion and its laws cannot be derogated from with a European directive. If there will be a business on”clean hydrogen” in the future, we can be sure that it will develop only thanks to public subsidies, ultimately paid out of our pockets.
Why so much interest in hydrogen if, as we will see later, the efficiency of its use does not justify it? The Photo 3 gives us a clue on which countries will be the main beneficiaries of the substantial grants that will be awarded in the name of the Green deal, and what is the share of Italy. Draw the reader their own conclusions.

Photo 3: Classification by nationality of the industries affiliated to Hydrogen Europe
(Photo Source: pagina Hydrogen Europe, graphic elaboration by the author)
Click on the image to enlarge

Hydrogen production technologies

L’European Alliance for Clean Hydrogen (Cast) was inaugurated with a meeting of experts and officials on 8 July 2020. From her declaration it seems that the only technology to produce “clean hydrogen” both electrolysis of water, using surplus wind and photovoltaic energy. The reason why the author so categorically states that a hydrogen-based economy cannot be competitive without state subsidies is that, at the present day, esistono solo tre modi di produrre idrogeno a scala industriale:

  1. Elettrolisi dell’acqua.
    Questa è la soluzione proposta durante la crisi del petrolio che caratterizzò gli anni ’70. La ragione si deve al concetto molto semplice – solo apparentemente – capace di catalizzare il favore di politici e opinione pubblica. La soluzione consiste in immagazzinare gli eccedenti d’energia solare fotovoltaica ed eolica sotto forma d’idrogeno ed ossigeno. Le alternative di sfruttamento sono: la vendita dell’ossigeno alle industrie per i loro processi produttivi e la distribuzione dell’idrogeno in sostituzione del gas naturale, oppure ricombinare idrogeno e ossigeno in celle a combustibile per soddisfare i picchi di domanda elettrica. I motivi per i quali entrambe le alternative fallirono negli anni della crisi petrolifera sono di tipo commerciale oltre che termodinamico e non hanno niente a che vedere con oscure cospirazioni delle lobby del petrolio, logge massoniche o “poteri forti”. Per quanto riguarda l’ossigeno, esistono metodi più economici ed efficienti per ricavarlo direttamente dall’atmosfera, laddove serva, senza necessità di separarlo dall’acqua, comprimerlo e trasportarlo in bombole. On the other side, l’idrogeno non può sostituire il gas naturale per una lunga serie di motivi tecnici (vedasi l’articolo dell’autore citato prima). Per quanto riguarda invece la generazione elettrica di picco oppure, come nel caso del treno Coradia iLint, la sostituzione dei combustibili fossili nel settore dei trasporti, l’efficienza complessiva del ciclo non giustifica la soluzione proposta. Il rendimento dell’elettrolisi, con le migliori tecnologie attualmente disponibili, è del 70%. Significa che sarebbero necessari 6,299 kWh di energia elettrica per ogni chilogrammo di acqua per produrre 1,24 Nm3 di H2 e 0,622 Nm3 di O2 (Ref[i]). L’efficienza di generazione elettrica delle celle a combustibile va dal 40% al 60% (Ref.[ii] e[iii]). L’efficienza globale dell’intero ciclo è dunque compresa fra il 28% ed il 42%. Nella pratica è necessario considerare anche il consumo elettrico per produrre l’acqua demineralizzata necessaria per l’idrolisi, per il pompaggio della medesima nelle celle e, infine, per stoccare l’H2 e l’O2 in bombole ad alta pressione. Pertanto, il rendimento reale del ciclo sarebbe ancora più basso, ma sia l’ECHA che l’IEA sorvolano tale aspetto del processo. A modo di riferimento, ricordiamo che un cogeneratore endotermico a biogas ha un’efficienza di generazione elettrica dell’ordine del 38%-42%.
  2. Idrogeno sottoprodotto dall’industria chimica.
    La produzione di soda caustica si realizza mediante l’elettrolisi di una soluzione di sale comune (ClNa) in acqua, ottenendo come sottoprodotto idrogeno e cloro. Anche la produzione di alcune plastiche genera idrogeno come sottoprodotto. L’idrogeno sottoprodotto industriale è certamente una risorsa da utilizzare laddove disponibile, ma di certo non può soddisfare la domanda energetica di un intero continente. In Italia l’idrogeno sottoprodotto dall’impianto petrolchimico di Marghera rappresenta l’ennesimo esempio di risorsa sprecata per colpa delle troppe leggi contraddittorie e dell’immobilismo burocratico (if you see, by the same author, la vicenda del vaporetto ad idrogeno costruito a Venezia).
  3. Reazione fra carbonio e acqua.
    Il carbonio può reagire con l’acqua ad alte temperature, secondo le seguenti reazioni:
    • Reazione di spostamento del gas d’acqua, schematicamente rappresentata da: CO + H2O → CO2 + H2. La reazione è catalizzata da Fe2THE3 o Cr2THE3.
    • Gassificazione del carbone, C + H2O → CO + H2, è una reazione che avviene fra carbone e vapore acqueo a temperature maggiori di 1000 °C. Veniva utilizzata tra la fine del XIX secolo e i primi del XX per produrre il gas di città.
    • Reforming del gas naturale. La reazione CH4 + H2O → CO + 3H2 avviene tra metano e vapore acqueo ad una temperatura tra i 700 e i 1100 °C.

Poiché le biomasse vegetali sono composte all’incirca dal 50% C, 6% H, e 41% THE (Ref.[iv]), la loro gassificazione a temperature maggiori di 1000 °C, con aggiunta di vapore, realizza le tre reazioni descritte sopra. The risultato è una miscela ricca di H2, chiamata syngas, dalla quale è relativamente facile separare l’anidride carbonica (CO2). Il processo di gassificazione delle biomasse è comunque più complesso ed inefficiente rispetto al reforming del gas naturale, motivo per il quale l’industria preferisce quest’ultimo. Se la politica decidesse d’incentivare la gassificazione di biomasse e penalizzare il reforming del gas naturale, then si aprirebbe un nuovo mercato per le aziende agricole, quello dell'”clean hydrogen” prodotto con i loro scarti lignocellulosici.

Da un punto di vista prettamente termodinamico, la gassificazione della biomassa è più conveniente dell’elettrolisi dell’acqua perché utilizza il calore prodotto mediante la combustione di una frazione della biomassa. Secondo uno studio pubblicato dall’Iea (Ref.[v]), la produzione d’idrogeno mediante gassificazione della biomassa è fattibile a condizione che il processo non utilizzi aria bensì ossigeno puro e vapore, perché l’azoto atmosferico andrebbe a finire nel syngas, ed essendo un gas inerte poco solubile, è molto difficile da separare dall’idrogeno.

Lo studio in questione analizza i dati di tre impianti pilota (delle Università di Vienna, Stuttgart e l’Energy research center Netherlands) nei quali la gassificazione si realizza con il vapore generato dalla combustione delle biomasse mediante riscaldamento indiretto, utilizzando l’aria come comburente ma evitando nel contempo che l’azoto atmosferico finisca nel syngas. Tali tecnologie producono syngas con un tenore di H2 between 27 e 45%. Lo studio dell’IEA analizza inoltre le prestazioni di una nuova tecnologia, detta SER (Sorption Enhanced Reforming), che utilizza calce viva (OCa) iniettata nel gassificatore assieme alla biomassa con lo scopo di eliminare la CO2 durante la gassificazione e favorire la produzione di idrogeno. Durante le prove dei prototipi alle Università di Vienna e di Stuttgart, la tecnologia SER ha prodotto syngas con 73% di H2. L’efficienza complessiva della gassificazione della biomassa è del 69%, quindi quasi uguale a quella dell’elettrolisi dell’acqua, con il vantaggio di non dipendere dagli sbilanci fra generazione solare/eolica e domanda della rete. Lo studio economico indica che, allo stato attuale delle ricerche, la gassificazione di biomassa risulta economica solo se il prezzo dell’idrogeno è maggiore di 2,70 euro/chilogrammo.

Conclusions

Dalla Photo 2 osserviamo che l’idrogeno da carbone, o da gas naturale, risulta ancora il più competitivo. L'”clean hydrogen” propagandato dalla signora Von der Leyen e dal signor Timmermans, basato esclusivamente sull’elettrolisi dell’acqua mediante eccedenti di energia eolica e fotovoltaica, è concorrenziale solo se sovvenzionato con soldi pubblici. Desta sospetto, o quanto meno perplessità, il fatto che l’Ue intenda destinare cospicui finanziamenti pubblici alla tecnologia dell’elettrolisi, quando la stessa UE considera idrogeno e biometano come vettori energetici equivalenti.

La tecnologia per produrre biometano è decisamente più economica, ed il biometano è 100% compatibile con le infrastrutture esistenti: quindi per quale motivo destinare massicce risorse all’idrogeno? Sembra anche strano che il bioidrogeno prodotto mediante dark fermentation – una tecnologia molto simile a quella della digestione anaerobica – così come la gassificazione della biomassa non siano state minimamente considerate dalla classe politica di Bruxelles. Le tecnologie di gassificazione della biomassa più avanzate sono in grado di produrre syngas ad alto tenore di idrogeno, con la stessa efficienza energetica degli elettrolizzatori, ma sono ancora allo stadio sperimentale, per cui non rappresentano un’opportunità per le aziende agricole nel breve-medio termine.

Da un punto di vista puramente tecnico, possiamo dimostrare con certezza matematica che un treno diesel convenzionale, convertito per funzionare a biometano, avrebbe la stessa efficienza complessiva del Coradia iLint franco-tedesco. Tale conversione è perfettamente alla portata delle officine delle Ferrovie Italiane, richiederebbe solo una modesta spesa – tra l’altro non soggetta al pagamento di royalties ad aziende estere – e l’acquisto di biometano da parte del Gruppo FS favorirebbe le aziende agro-energetiche nostrane.

Bibliography

[i] Università di Napoli, Corso di tecnologie energetiche, Modulo tecnologia dell’idrogeno.
[ii] Marina Ronchetti; Celle a combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia; pubblicazione dell’Enea, 2008.
[iii] US D.O.E., Fuel cells fact sheet.
[iv] Channiwala S.A., On biomass gasification process and technology developments. PhD Thesis, Mechanical engineering department, Iit, Mumbai 1992). I valori ottenuti dal Channiwala sono riportati nel sito della Biomass energy foundation.
[v] Matthias Binder, Michael Kraussler, Matthias Kuba, and Markus Luisser; Hydrogen from biomass gasification, Iea Bioenergy; ISBN 978-1-910154-59-5, 2018.

5 Replies to “Biomass hydrogen and Green Deal: It is possible to circumvent the Laws of Thermodynamics with an EC directive?”

  1. Grazie di questo approfondito dettaglio sull’argomento “Idrogeno”, divenuto così di moda nell’ambito UE.

    Al riguardo segnalo un interessante articolo recente dell’amico Prof. Samuele Furfari sempre sul tema “Idrogeno” che potrebbe risultare utile a complemento di quanto ottimamente scritto dal Dr. Mario Rosato qui sopra:

    “https://www.latribune.fr/opinions/hydrogene-enieme-utopie-de-l-ue-ou-comment-se-chauffer-en-brulant-des-sacs-louis-vuitton-853316.html?utm_source=Energy+geopolitics&utm_campaign=9d8b65cbf5-EMAIL_CAMPAIGN_2020_07_22_04_39&utm_medium=email&utm_term=0_1fc3386348-9d8b65cbf5-413909217 “

  2. Penso che non ci sia da scomodare troppo la Termodinamica per rendere evidente che c’è un’azione di lobbying dietro questa nuova politica che supporta la diffusione dell’idrogeno.
    Avvenne negli anni ‘90 (ma anche prima negli anni ‘60 collegato col nucleare) ed ora si ripresenta. Per l’Italia sarà da acquistare tutta tecnologia straniera (da cui i notevoli fondi fornitici). Ma questo già vale per il settore del biogas. Si risolverà in un grande flop dovuti agli intrinseci alti costi (vedi auto elettrica).

    1. Sono d’accordo che c’è una certa confusione sull’idrogeno. Certamente ha la sua attrattiva come combustibile pulito, ma si tende a confonderlo con una fonte energetica, mentre non è che un vettore e non senza complicazioni tecniche nel suo stoccaggio. Quanto alle lobby, ce ne sono per tutte le energie e non ci vedo niente di male nel propugnare le proprie ragioni. Meno condivisibile trovo la preoccupazione per l’acquisto di tecnologia straniera, tanto più che proprio il settore del biogas sta a dimostrare che l’industria italiana ha saputo rafforzarsi in questo settore ed oggi i tre leader del settore sono tutti italiani e stanno consistentemente esportando tecnologia in tutto il mondo. Per non parlare del settore del gas naturale e del biometano, su cui l’Italia ha storicamente una chiara leadership.

  3. Sarebbe però opportuna una seria riflessione se siano davvero utilmente spesi (visto che vengono prelevati dalle Bollette dei consumatori elettrici) questo immane volume di risorse economiche per finanziare questo o quel settore opportunista , sulla base di un’ideologia (quella del clima che è stravolgente per chi volesse semplicemente approfondire il tema , esaminando proprio la storia del clima anche solo negli ultimi 2-3.000 years!
    Forse è arrivata l’ora di darci un taglio nell’interesse di tutti e soprattutto dei consumatori elettrici che da molti anni pagano il balzello in Bolletta e questo continuerà almeno fino al 2032.

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