Di cosa parliamo ? Dell’Idrogeno come vettore energetico.
È il primo elemento della tavola periodica, il più leggero. Ha tre isotopi: protio (il più comune), deuterio e tritio.
Dopo l’elio è il gas più difficile a liquefarsi (ha un punto di ebollizione di soli -253 °C (20,27 K) e un punto di fusione di -259°C (14,02 K, ossia si lavora intorno allo zero assoluto, con la necessità di sviluppare tecnologie e materiali idonei).
A pressione atmosferica e temperatura ambiente si presenta come un gas biatomico incolore, inodore, infiammabile e praticamente insolubile in acqua.
Disponibilità dell’Idrogeno
È l’elemento più abbondante nell’Universo, ma è molto raro allo stato elementare sul nostro pianeta, in quanto l’attrazione gravitazionale terrestre, minore di quella delle stelle e dei grandi pianeti, è insufficiente a trattenere le sue molecole molto leggere
Si trova libero nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole e nell’atmosfera ad un’altezza superiore ai cento chilometri.
Caratteristiche e attività
Poco attivo a freddo, dà luogo a caldo o in presenza di catalizzatori, a numerose reazioni chimiche. Si combina direttamente alla maggior parte dei non metalli e dei metalli alcalini e alcalino-terrosi.

Le principali tecnologie di produzione sono:
• Steam reforming
• Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi
• Gassificazione del carbone
• Elettrolisi dell’acqua

Steam reforming
Consiste nel far reagire metano e vapor d’acqua ad una temperatura variabile fra 700°C e 1100°C, per produrre syngas (una miscela costituita essenzialmente da CO e idrogeno):
CH4 +H2O→CO+3H2
È il metodo più utilizzato, coprendo il 50% dell’intera produzione di idrogeno, ed anche il più economico, l’idrogeno grigio aborrito dagli ambientalisti
Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi
È la trasformazione termica di idrocarburi pesanti
(es. residui di oli pesanti dell’industria petrolchimica) con l’ausilio di ossigeno e, parzialmente, anche di vapore acqueo
Il processo si svolge ad una temperatura più alta rispetto allo steam reforming (1300°C – 1500 °C), ma l’efficienza è più bassa, circa del 50%
È poco adatto dal punto di vista ambientale perché genera emissioni di CO2.

Gassificazione del carbone

Consiste nella reazione di ossidazione parziale del carbone, che inizialmente viene ridotto in polveri di dimensioni inferiori ad 1 mm e quindi trasformato in un combustibile gassoso.

Rispetto allo steam reforming, il processo risulta più complesso e i costi di realizzazione più elevati

Elettrolisi

La produzione avviene dall’acqua, scindendola nei suoi componenti attraverso elettrolisi:

H2O + elettricità = H2 + 1⁄2 O2

È il miglior metodo di produzione dal punto di vista ambientale, ma è sostenibile solo se esistono grandi disponibilità di energia elettrica altrimenti non utilizzabile, con continuità assicurata, e si presume o si vorrebbe che l’energia elettrica che alimenta l’elettrolisi provenisse da fonti rinnovabili.

Tuttavia, questa tecnologia copre solo il 5% della produzione mondiale, in quanto economicamente non conveniente rispetto alle altre soluzioni

Densità energetica

L’idrogeno è il combustibile con la massima densità energetica riferita alla massa, ma anche quello con la minima densità energetica riferita al volume, sia allo stato gassoso che liquido.

Rispetto ad un accumulo di pari energia di un altro combustibile, quello relativo all’ idrogeno risulta:

• molto più voluminoso, se gassoso o liquido
• molto più pesante, se idruro.

Sicurezza dell’idrogeno

Non riguarda solo l’incendio e l’esplosione, che richiamano maggiore ed immediata attenzione:

• Rispetto agli altri vettori energetici, l’idrogeno si diffonde e disperde più velocemente perché è molto più leggero dell’aria.
• Pertanto, nel caso di una perdita è meno soggetto al pericolo d’incendio rispetto alla benzina o al gas naturale perché si diffonde velocemente diluendosi ( ma è praticamente lo stesso vantaggio del metano, molto meno costoso e più maneggevole)

Ma riguarda il fatto che la manipolazione dell’idrogeno riguarda gas compressi ad alta pressione e soprattutto, per la sua logistica (e quindi il trasporto in ogni ambiente) il mantenimento a bassissime temperature, vicine allo zero assoluto: rischi immediati e difficilmente contenibili in caso di incidente, maggiori di quelli del metano in pari condizioni, e impiego di materiali estremamente più costosi, con cicli di vita estremamente ridotti dei sistemi (materiali e tecnologie ancora in gran parte in via di sviluppo)

Infiammabilità dell’idrogeno

Se viene raggiunta una concentrazione sufficiente, l’idrogeno tende a bruciare con una fiamma piuttosto che esplodere e quando prende fuoco la fiamma ha un basso livello di calore radiante e quindi non surriscalda le zone vicine

Esplosività dell’idrogeno

forte emissione di energia sonora (principale meccanismo che dissipa l’energia associata all’esplosione) e fiamme, che si propagano rapidamente verso l’alto per la “leggerezza” dell’idrogeno, al contrario di altri gas più pesanti dell’aria la cui caratteristica è la propagazione delle fiamme verso il basso, un maggior pericolo per la sicurezza circostante ( ma è praticamente lo stesso vantaggio del metano, molto meno costoso e più maneggevole)

Produzione di idrogeno

Nel mondo vengono prodotti ogni anno circa poco meno di 600 miliardi di normal metri cubi, Nm3 (volume occupato da un gas alla pressione atmosferica ed alla temperatura di 0°C) principalmente come co-prodotto dell’industria chimica destinato a processi industriali, impieghi insostituibili che “pagano” l’elevato costo di questo gas.

Oltre  il  90%  attualmente  deriva  direttamente  o  indirettamente  da  processi  che  prevedono l’utilizzo di idrocarburi, anche se si stanno promovendo ovunque sistemi di produzione basati sulle fonti di energia rinnovabili, ma al di là del basso rendimento, l’economicità, l’industrializzazione dei sistemi, l’applicabilità su larga scala sono tutte da dimostrare, cosi come l’occupazione di suolo Lo  stoccaggio ed il trasporto dell’idrogeno, ossia la fondamentale logistica integrata di questo combustibile,  indispensabile  per  la  sua  diffusione,  è  ancora  materia  di  sperimentazione,  di innovazione in corso, di specializzazione estrema anche nella manipolazione del gas, di accettazione e sicurezza, e di lunghi tempi di implementazione (tutti fattori contro i facili entusiasmi).

Stoccaggio

L’idrogeno può essere immagazzinato in forma:

• gassosa (idrogeno gassoso compresso, CGH2) per l’immagazzinamento in larga scala
• liquida (idrogeno liquido LH2) per il trasporto aereo e terrestre
• di idruri di metallo, adsorbito su materiali speciali, per applicazioni sui veicoli o per scala ridotta.

Scelta della tecnologia di stoccaggio

Nessuna tecnica di stoccaggio è più conveniente in assoluto e pienamente soddisfacente per efficienza, praticità, economicità. Inoltre, tutte risultano critiche nell’impiego a bordo di veicoli.

La scelta dipende dall’applicazione ed è un compromesso tra caratteristiche fisiche, tecnologiche, economiche e di sicurezza delle diverse soluzioni.

Ad es. il peso ed il volume sono importanti in applicazioni mobili, soprattutto di piccola taglia, ma non per applicazioni stazionarie (stazioni di rifornimento, edilizia, ecc.)

Compressione

L’accumulo sotto forma di gas compresso, a pressioni di 200-250 bar, è probabilmente il metodo più semplice ed economico per immagazzinare idrogeno. Lo svantaggio è costituito dalla bassa densità di energia per unità di volume.

Compressione ad alta pressione

Per aumentare la densità di energia per unità di volume è necessario aumentare la pressione.

I serbatoi  devono essere  progettati per  resistere a  sollecitazioni meccaniche  maggiori,  il che comporta un notevole aumento di peso: in tal modo, oltre ad avere un ingombro elevato, si perde anche il vantaggio del basso peso dell’idrogeno, che viene annullato da quello del serbatoio,

che incide per oltre il 90%.

Stoccaggio gassoso in applicazioni mobili

Per la trazione automobilistica, per avere autonomia paragonabile a quella di veicoli a diversa alimentazione è necessaria una quantità di idrogeno compresa fra 2 Kg e 4 Kg.

La tecnologia a gas compresso non è facilmente proponibile a bordo di auto per il l’ingombro ancor più del peso dei serbatoi : per quanto riguarda i veicoli industriali l’introduzione massiccia negli ultimi decenni di alimentazioni a gas ha favorito lo sviluppo di serbatoi di gas pressurizzato compatti per applicazioni mobili, con struttura metallica o compositi rinforzati e notevoli riduzioni di peso in grado di operare a pressioni fino a 350 bar.

Rimane il problema del posizionamento, della resistenza ad urti, della generazione di fughe, della specializzazione di personale Applicazioni mobili che non sono certamente alla portata del comune utente (che comprende dall’uomo della strada, al neopatentato, alla casalinga, alla madre che porta i figli a scuola) : si tratta, e si tratterà ancora, di applicazioni altamente specializzate e hanno bisogno di personale specializzato dalla costruzione alla gestione (basta pensare al rifornimento): una riflessione sul fatto che non esiste ancora una tecnologia diffusa, affidabile, e non ci sono neppure abbastanza persone, esperti e spazio per diffondere questi sistemi incondizionalmente ed ovunque, come oggi la mobilità che fa parte dell’attuale sistema di vita, mobilità terrestre e marittima in primo luogo

Liquefazione

L’idrogeno può essere immagazzinato anche in forma liquida alla temperatura di -253°C (20 K).      A parità di energia accumulata, pesa meno di tutti gli altri combustibili (2,7 volte meno della benzina) ma occupa un volume maggiore (3,8 volte più della benzina).

Gli svantaggi sono:

1. necessità di mantenere la temperatura intoro ai -260°C (21 K) per evitare perdite per evaporazione non eliminabili. Serve un isolamento efficientissimo, con utilizzo di materiali costosi e aumento del peso del serbatoio
2. energia spesa per la liquefazione (circa il 38% di quella del vettore ottenuto), che aumenta i costi del combustibile.

Idrogeno liquido

Tale tecnologia è quella che meglio soddisfa le esigenze dell’autotrazione, anche se a suo sfavore giocano le maggiori difficoltà di distribuzione e rifornimento ed i costi della liquefazione.

Attualmente l’idrogeno liquido è l’unico combustibile utilizzato nei programmi spaziali della NASA ; è anche il metodo di stoccaggio più utilizzato dalle industrie.

Accumulo chimico: idruri metallici

L’idrogeno può legarsi chimicamente con diversi metalli e leghe metalliche formando idruri, composti solidi che si formano al suo diffondersi nel reticolo cristallino del metallo, occupando lo spazio interionico se l’idrogeno è in pressione (necessaria, anche serelativamente bassa, 25-100 bar).

Tale tecnologia consente di raggiungere densità energetiche maggiori di quelle ottenibili con l’idrogeno compresso e paragonabili a quelle dell’idrogeno liquido.

I vantaggi sono la convenienza economica, l’ingombro ridotto, la stabilità e la sicurezza dovuta alle basse pressioni; tuttavia, tale tecnologia non è ancora competitiva soprattutto per ragioni di peso.

Trasporto stradale e ferroviario

Il trasporto dell’idrogeno può essere effettuato con diverse tecniche, che tuttavia presentano tutte criticità, le principali delle quali sono in forma gassosa e liquida:

• per richieste di 1500 – 2000 Nm3/h, può essere trasportato in forma gassosa, alla pressione di 200 bar, in contenitori o rimorchi dedicati;
• il trasporto in forma liquida in bombole è conveniente solo per quantità limitate e percorrenze elevate

Reformer installati a bordo del veicolo

E’ ancora utopico (o al massimo altamente sperimentale) pensare che un’auto a metano, benzina, gasolio, etanolo, metanolo possa prodursi in modo autonomo l’idrogeno direttamente on-board; l’assurdo della complicazione e farraginosità del sistema e del bassissimo rendimento(=costo elevato) complessivo a fronte di una scarsa riduzione di emissioni.

Gasdotti L’idrogeno può essere trasportato in forma gassosa su grandi distanze attraverso gli stessi gasdotti utilizzati per il gas naturale, con opportune modifiche rispondenti alle specifiche proprietà fisiche: essendo inodore, incolore e altamente infiammabile, si richiede – tra l’altro – l’installazione di sofisticati sensori per il controllo e la protezione

Trasporto marittimo

Un nuovo settore di trasporti marittimi riguarda l’idrogeno (e d’altra parte l’idrogeno è previsto anche come possibile carburante navale).

Sviluppo motivato dal continuo sovrapporsi di accordi internazionali per la (ancora eventuale) massiccia produzione di idrogeno in determinate aree mondiali, sfruttando in genere una (ancora potenziale) sovrabbondanza di energia elettrica, ed il conseguente trasporto di idrogeno in forma liquida, per via marittima, verso i grandi centri di consumo

Si tratta di una sfida importante, con la necessità per la cantieristica di adottare nuove tecnologie e nuovi materiali per il trasporto di LH2 mantenuto in forma liquida a temperature necessariamente inferiori -253 °C.

Il programma dell’idrogeno, con tutte le incognite che ancora riguardano il suo impiego e la sua diffusione, a livello europeo comprende 62 diversi progetti.

Uso dell’idrogeno nelle celle a combustibile

Si menziona questo impiego solo per la confusione che è stata generata al riguardo

Si stratta di sistemi, costosi, sofisticati e ormai di uso consolidato sia per la propulsione anaerobica, subacquea, sia in applicazioni aerospaziali.

Sistemi difficili da considerare come di estesa diffusione ed impiego generale.

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte l’energia di un combustibile (idrogeno) in elettricità e calore.

Per mezzo di una reazione elettrochimica (inversa a quella di elettrolisi) tra idrogeno e ossigeno (preso dall’aria) si genera una forza elettromotrice, analogamente alle pile elettriche, ma con una sostanziale differenza fra batteria e fuel-cell

La differenza con una batteria sta nell’immagazzinamento dell’energia,

• nella batteria avviene al suo interno,
• nella fuel-cell avviene al di fuori, ad esempio in un serbatoio di idrogeno,

e di conseguenza una batteria è un sistema completo di stoccaggio e conversione mentre la fuel- cell è solo un convertitore e non contiene alcuna energia al suo interno. Gian Carlo Poddighe