La pirolisi del metano, nota anche come cracking del metano o idrogeno turchese, è la scomposizione ad alta temperatura del metano in idrogeno gassoso e carbonio. È in diretta concorrenza con l'idrogeno blu, l'idrogeno derivante dal reforming del metano a vapore e dalla cattura e sequestro del carbonio (CCS), per la produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio dal gas naturale. Nella pirolisi del metano, tutto il carbonio contenuto nel metano viene catturato in forma solida anziché essere emesso come anidride carbonica.
La pirolisi del metano richiede circa la metà dell'energia richiesta dal reforming a vapore per produrre la stessa quantità di idrogeno. Infine, il sottoprodotto solido di carbonio può essere venduto sul mercato come nerofumo, compensando il costo dell'idrogeno prodotto. L'insieme di questi fattori rende la pirolisi del metano una promettente opzione tecnologica per produrre idrogeno a basse emissioni di carbonio.
Esistono diverse varianti della pirolisi del metano, che possono essere classificate come pirolisi termica, al plasma e catalitica. Nonostante le variazioni, tutte condividono sfide tecniche comuni: alte temperature di processo necessarie per ottenere alti tassi di conversione, purezza dell'idrogeno gassoso e separazione del carbonio solido dalla fase gassosa per evitare l'avvelenamento del catalizzatore (se presente) e il blocco del sistema del reattore.
Per ottenere una panoramica completa del panorama tecnologico della pirolisi del metano e della distribuzione degli operatori, abbiamo analizzato i principali sviluppatori con attività brevettuale storica, pubblicazioni accademiche, finanziamenti early-stage e progetti in corso. Queste informazioni servono a definire le tendenze future e a identificare le opportunità per gli innovatori che cercano di entrare in contatto con gli operatori del settore della pirolisi del metano.
Le Americhe e l'EMEA sono i leader regionali della pirolisi del metano
Ciò non sorprende, poiché la pirolisi del metano è una piattaforma tecnologica complessa e in fase iniziale, il cui sviluppo è incentivato dall'uso del gas naturale per l'idrogeno a basse emissioni di carbonio. Ciò richiede una forte spinta regionale alla decarbonizzazione, una propensione agli investimenti ad alto rischio e/o un'abbondante fornitura locale di gas naturale. Gli Stati Uniti e la Russia sono i due Paesi leader in questo settore.
Mentre il Giappone e la Corea del Sud hanno obiettivi ambiziosi di decarbonizzazione e il sud-est asiatico e l'Australia dispongono di abbondanti forniture di gas naturale, nessuna regione dell'APAC ha ancora le condizioni giuste per favorire lo sviluppo della pirolisi del metano. Tuttavia, ci aspettiamo che la Cina emerga come attore chiave.
Le startup sono sempre più attive nella pirolisi del metano
La pirolisi del metano è stata largamente dominata dalle grandi aziende, ma nell'ultimo decennio sono state fondate diverse startup per sviluppare e impiegare tecnologie di pirolisi del metano originariamente sviluppate presso gli istituti di ricerca. Nel complesso, non c'è ancora un chiaro leader nel settore della pirolisi del metano: Monolith Materials ha portato la sua piattaforma alla fase dimostrativa, ma le prestazioni della sua tecnologia non sono chiare. Per il resto, sia le grandi aziende che le startup si trovano in una fase simile di sviluppo tecnologico con le loro piattaforme.
Lo spazio accademico è attivo ma altamente frammentato
Gli istituti di ricerca superano di gran lunga le aziende e le startup nel settore della pirolisi del metano. Solo due, l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata (TNO) e l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT), si distinguono dalla massa per aver portato la loro tecnologia a impianti pilota. Altre istituzioni attive nella pirolisi del metano non hanno ancora superato le unità sperimentali. Alcune di queste istituzioni hanno sede in Cina e le loro tecnologie saranno probabilmente assorbite da aziende cinesi una volta che saranno pronte a scalare.
- Plasma: La forma più matura di pirolisi del metano, utilizza una torcia al plasma dove il gas metano pirolizza a temperature comprese tra 1.000 °C (plasma freddo) e 2.000 °C (plasma caldo). Il plasma freddo porta in genere a una conversione del metano inferiore al 50% senza catalizzatori, mentre il plasma caldo porta in genere a una conversione superiore al 90%. La società norvegese Kværner (ora Aker Solutions) ha realizzato nel 1997 il primo e unico impianto di pirolisi del metano su scala commerciale utilizzando la tecnologia del plasma caldo, dove l'idrogeno prodotto veniva ricircolato nella torcia al plasma. L'impianto è stato dismesso nel 2003 a causa dell'insufficiente qualità del nerofumo prodotto. Oggi Monolith Materials è l'azienda leader. Utilizza la tecnologia al plasma caldo basata sul processo di Kværner e ha lanciato il suo primo impianto dimostrativo negli Stati Uniti nel 2020, producendo nerofumo come prodotto principale. Gazprom è l'unica società attualmente attiva nella tecnologia al plasma per la pirolisi del metano: la sua tecnologia al plasma freddo è supportata da un catalizzatore al nichel per raggiungere efficienze di conversione del metano dell'80%, ma la tecnologia è ancora su scala di laboratorio.
- Termica: nella pirolisi termica il metano si dissocia in idrogeno e carbonio a temperature comprese tra 1.000 °C e 1.500 °C. La differenziazione si basa sul tipo di reattore utilizzato nel processo. BASF utilizza un reattore a letto mobile riscaldato elettricamente in cui i granuli di carbonio scorrono in senso contrario alle fasi gassose e il metano pirolizza direttamente sui granuli a 1.400 °C. KIT fa passare il metano attraverso un reattore a colonna a bolle di stagno liquido a 1.200 °C, dove il carbonio solido che si forma galleggia in cima al liquido e può essere separato con mezzi non rivelati. Anche TNO utilizza un reattore di metallo fuso che opera a più di 1.000 °C e separa il nerofumo dal metallo liquido utilizzando sale fuso. Attualmente, tutte le piattaforme tecnologiche della pirolisi termica sono su scala di laboratorio ed è improbabile che raggiungano una scala commerciale prima del 2030.
- Catalitica: nella pirolisi catalitica, il metano si scinde in idrogeno e carbonio su un catalizzatore metallico, tipicamente a base di nichel o ferro, a temperature inferiori ai 1.000 °C. Attualmente, Hazer Group è l'attore principale in questo settore: l'azienda utilizza un reattore a letto fluido con un catalizzatore a base di minerale di ferro, operante a 850 °C. Attualmente si trova su scala pilota, senza obiettivi chiari per la commercializzazione. C-Zero è l'ultimo arrivato nel settore della pirolisi del metano. Anche se la sua tecnologia non è ancora chiara, sembra che l'azienda utilizzi un processo catalitico ma anche sali fusi per separare il carbonio solido.
Nel complesso, il panorama tecnologico per la pirolisi del metano è frammentato tra le tecnologie, senza scommesse sicure. Sebbene Monolith Materials sembri essere vicino alla scala commerciale con la sua tecnologia al plasma, la mancanza di dettagli sul progetto e la scarsa storia commerciale del processo di Kværner ci impediscono di definire il plasma il chiaro vincitore della pirolisi del metano.
BASF e TNO stanno sviluppando attivamente le loro piattaforme di pirolisi termica, ma hanno ammesso che un impianto su scala commerciale è improbabile prima del 2030. Per quanto riguarda le numerose startup attive nel settore, gli obiettivi di commercializzazione tendono a essere molto ambiziosi e devono ancora assicurarsi i partner o i finanziamenti necessari per scalare le loro tecnologie.
#LuxTake
Data la fase iniziale della pirolisi del metano e la gamma di tecnologie disponibili, manca ancora una valutazione economica del processo. La letteratura accademica e le conversazioni con gli sviluppatori della tecnologia indicano che la pirolisi del metano sarà più costosa dell'idrogeno blu. Tuttavia, i sostenitori della tecnologia si affrettano a sottolineare che la vendita del sottoprodotto del carbonio sul mercato la renderà più economica dell'idrogeno blu. Tuttavia, gli innovatori dovrebbero essere cauti, perché questa ipotesi può essere molto insidiosa.
Il mercato globale del nerofumo è oggi stimato in 15 milioni di tonnellate all'anno. Se tutto questo nerofumo venisse fornito dalla pirolisi del metano, corrisponderebbe a una produzione di idrogeno di 6 milioni di tonnellate all'anno. Ciò equivale ad appena l'8% del mercato globale dell'idrogeno. Pertanto, la diffusione della pirolisi del metano su scala globale porterà a un crollo del mercato del nerofumo, rendendolo sostanzialmente inutile.
Supponendo che la tecnologia riesca a scalare e che il nerofumo non venga venduto sul mercato, la decisione di costruire un impianto di pirolisi del metano o un impianto di idrogeno blu dipenderà in gran parte dalla gestione dei sottoprodotti a base di carbonio e dal suo impatto sull'economia della produzione di idrogeno. Affinché la pirolisi del metano vinca, il costo della gestione del carbonio solido dovrà essere inferiore al costo della compressione, del trasporto e del sequestro delle emissioni di CO2 di un impianto di idrogeno blu.
Chi è interessato dovrebbe seguire gli sviluppi della pirolisi del metano, ma deve tenere presente che, pur ritagliandosi una parte del mercato dell'idrogeno a basse emissioni di carbonio, è improbabile che riesca a eliminare completamente l'idrogeno blu dal mix.