idrogeno, sistema energetico a

idrogeno, sistema energetico a

idrògeno, sistèma energètico a. – Tra i vettori energetici l’idrogeno è un composto oggetto di grande interesse e il dibattito sul futuro energetico a livello mondiale e sul ruolo che l’idrogeno potrebbe assumere in merito costituisce uno dei temi rilevanti dei primi anni del 21° secolo. L’idrogeno rappresenta una conveniente alternativa ai combustibili tradizionali in quanto, se bruciato o direttamente ossidato in dispositivi quali le celle a combustibile, non emette inquinanti pericolosi, né gas che contribuiscano all’effetto serra. Inoltre, è caratterizzato dalla più elevata densità di energia per unità di massa (il suo potere calorifico inferiore è pari a 120 MJ/kg) ed è disponibile in grandi quantità poiché contenuto in gran parte delle molecole che costituiscono la materia organica e inorganica. L’idrogeno, tuttavia, non essendo un combustibile ordinario, come il carbone o il petrolio, è un vettore energetico, e in quanto tale deve essere prodotto a partire da altre fonti energetiche. Questo aspetto, pur rendendo tecnicamente assai complesso lo sviluppo di un’economia energetica all'idrogeno, ne rappresenta anche uno dei maggiori potenziali: l’idrogeno è un vettore caratterizzato da un’enorme versatilità, in quanto può essere prodotto a partire da un gran numero di fonti energetiche primarie sia fossili sia rinnovabili oltre che attraverso l’energia nucleare. Una volta prodotto, il suo utilizzo è altrettanto versatile e può avvenire sia nei sistemi di generazione di energia convenzionali sia nelle celle a combustibile. L’idrogeno può essere prodotto attraverso differenti processi quali: l’elettrolisi dell’acqua, la riformulazione di idrocarburi più complessi mediante calore ed eventualmente vapore d’acqua, la gassificazione e la pirolisi di idrocarburi ma anche di biomassa, processi termochimici che facciano uso di calore reso disponibile da qualche fonte a basso costo (energia nucleare o solare concentrata) e infine attraverso la produzione biologica con utilizzo di alghe e batteri. Ognuna di queste tipologie presenta possibili benefici ma anche barriere tecnologiche. La valutazione della tecnologia di produzione più vantaggiosa richiede pertanto che venga effettuata una completa valutazione dei costi energetici e degli impatti complessivi sull’ambiente. La diffusione su larga scala dell’idrogeno richiede inoltre che venga opportunamente sviluppata la tecnologia che ne consenta l’immagazzinamento e la distribuzione. All’elevata densità energetica per unità di massa dell'idrogeno corrisponde, qualunque sia il suo stato di aggregazione, ridotta densità volumetrica. L’immagazzinamento dell’idrogeno per un suo impiego diffuso presenta quindi aspetti critici, sia per quanto riguarda l’efficienza di stoccaggio (misurata come rapporto tra la quantità di idrogeno immagazzinata e il peso del serbatoio), sia per quanto riguarda la sicurezza. L’uso di idrogeno in pressione è prassi abbastanza consolidata nelle applicazioni industriali per le quali si è in grado di ottenere condizioni di funzionamento efficienti e affidabili. L’idrogeno può, inoltre, essere conservato senza rilevanti problemi tecnici anche in grandi serbatoi in pressione. La possibilità di immagazzinare energia a bordo di veicoli in quantità sufficiente a garantirne l’autonomia richiesta non è, invece, ancora prossima al raggiungimento di una piena maturità tecnologica.

Tipologie di immagazzinamento. – L’utilizzo di serbatoi in pressione di dimensioni più o meno grandi è una tecnologia abbastanza diffusa per pressioni dell’ordine di 20 MPa che consentono tuttavia di immagazzinare quantitativi modesti di idrogeno. La linea di sviluppo per questi dispositivi prevede quindi l’utilizzo di pressioni sempre maggiori (70 MPa) per le quali la densità energetica volumetrica del gas diventa simile a quella dell’idrogeno liquido, sebbene ancora inferiore a quella dei combustibili tradizionali. Per queste applicazioni lo sforzo tecnologico è diretto verso la realizzazione di recipienti leggeri in grado di assicurare le richieste esigenze di resistenza meccanica. I materiali utilizzati a tali fini sono quindi compositi con fibre di carbonio e materiali polimerici. L’immagazzinamento dell’idrogeno sotto forma liquida richiede il raggiungimento di temperature di ca. 20 K. In queste condizioni la densità di energia per unità di volume diventa molto più elevata ma è richiesto un notevole esborso energetico per il raffreddamento del fluido (pari a circa un terzo del contenuto energetico iniziale). L’idrogeno liquido viene conservato a una pressione leggermente superiore a quella atmosferica (0,6 MPa) e non presenta quindi grandi difficoltà dal punto di vista strutturale, ma richiede serbatoi in grado di garantire nel miglior modo possibile l’isolamento termico dall’esterno che, in ogni caso, non è perfetto, richiedendo un lento, ma costante, rilascio di piccoli quantitativi di idrogeno in atmosfera e il conseguente svuotamento del serbatoio anche in assenza di uso. Una forma molto efficiente di stoccaggio è quella consentita da alcuni metalli i quali, in condizioni opportune, sono in grado di assorbire l’idrogeno all’interno del loro reticolo atomico. Questi materiali (lantanio, magnesio, ferro, ecc.) permettono di ottenere per l’idrogeno una notevole densità energetica a unità di volume, mentre ne diminuiscono, anche sensibilmente, la densità in base alla massa. Il rapporto tra massa di idrogeno immagazzinato e massa dell’idruro metallico non riesce ancora a superare valori dell’ordine del 5%. Altrettanto efficienti nell’immagazzinamento sono idruri chimici quali il NaBH (boroidruro di sodio, solido a temperatura ambiente, solubile in acqua fredda e instabile in acqua calda), che può prendere parte a processi reversibili e molto efficienti di immagazzinamento e rilascio dell’idrogeno. Un’ultima tipologia di immagazzinamento di grande potenzialità e oggetto di intensi studi è quella che prevede l’utilizzo di nanotubi di carbonio che, grazie alla loro struttura molecolare, permettono ad atomi di idrogeno di essere catturati all’interno del reticolo e quindi rilasciati in condizioni opportune. Questa tecnologia è molto promettente, sia per la densità energetica che può essere realizzata, sia per il costo che a regime potrebbe essere molto contenuto.

Infrastrutture di trasporto e sviluppo delle celle a combustibile. – La possibilità di utilizzo dell’idrogeno quale vettore energetico è tuttavia legata al contemporaneo sviluppo di una infrastruttura di distribuzione capillare con una diffusione analoga a quella delle reti esistenti per l’energia elettrica, per il metano e per i combustibili per il trasporto (benzina, gasolio, ecc.). La realizzazione di una tale infrastruttura comporta, oltre a notevoli problemi finanziari, la necessità di sviluppare soluzioni tecniche e procedure per un uso sicuro dell’idrogeno, i cui usi diversificati permettono di ipotizzare una sostituzione piuttosto completa delle altre forme di energia. In questa prospettiva, lo sviluppo delle celle a combustibile riveste un ruolo particolarmente importante. Questa tecnologia, nelle sue differenti configurazioni, è caratterizzata da elevata efficienza nella conversione dell’energia potenziale chimica dell’idrogeno in energia elettrica e rappresenta uno strumento fondamentale per accelerare la transizione verso una possibile economia energetica fondata sull’idrogeno. L’uso delle celle a combustibile alimentate con idrogeno permette infatti di produrre energia con grande efficienza – recuperando in parte il gap provocato dall’esigenza di produrre l’idrogeno a spese di un’altra fonte energetica – senza provocare emissioni inquinanti significative e può pertanto rappresentare anche una soluzione tecnica molto efficace per quanto riguarda il trasporto.