Informazioni sull'idrogeno energetico di prossima generazione

Introdurremo l'idrogeno, la prossima generazione di energia a zero emissioni di carbonio. L'idrogeno si divide in tre tipologie: "idrogeno verde", "idrogeno blu" e "idrogeno grigio", ognuna delle quali ha un diverso metodo di produzione. Spiegheremo anche ciascun metodo di produzione, le proprietà fisiche degli elementi, i metodi di stoccaggio/trasporto e i metodi di utilizzo. E spiegherò anche perché è la fonte energetica dominante della prossima generazione.

Elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno verde

Quando si usa l'idrogeno, è importante "produrlo" comunque. Il modo più semplice è "elettrolizzare l'acqua". Forse l'avete fatto alle elementari, a lezione di scienze. Riempite il becher con acqua e gli elettrodi con acqua. Quando una batteria viene collegata agli elettrodi e alimentata, si verificano le seguenti reazioni nell'acqua e in ciascun elettrodo.
Al catodo, H+ ed elettroni si combinano per produrre idrogeno gassoso, mentre l'anodo produce ossigeno. Questo approccio è comunque valido per gli esperimenti scientifici scolastici, ma per produrre idrogeno a livello industriale è necessario predisporre meccanismi efficienti adatti alla produzione su larga scala. Si tratta dell'elettrolisi a membrana elettrolitica polimerica (PEM).
In questo metodo, una membrana semipermeabile polimerica, che consente il passaggio di ioni idrogeno, è inserita tra un anodo e un catodo. Quando l'acqua viene versata nell'anodo del dispositivo, gli ioni idrogeno prodotti dall'elettrolisi attraversano una membrana semipermeabile fino al catodo, dove si trasformano in idrogeno molecolare. D'altra parte, gli ioni ossigeno non riescono a passare attraverso la membrana semipermeabile e si trasformano in molecole di ossigeno all'anodo.
Anche nell'elettrolisi dell'acqua alcalina, si creano idrogeno e ossigeno separando l'anodo dal catodo attraverso un separatore attraverso il quale possono passare solo ioni idrossido. Esistono inoltre metodi industriali come l'elettrolisi a vapore ad alta temperatura.
Eseguendo questi processi su larga scala, è possibile ottenere grandi quantità di idrogeno. Nel processo, viene prodotta anche una quantità significativa di ossigeno (metà del volume di idrogeno prodotto), in modo che non abbia alcun impatto ambientale negativo se rilasciato in atmosfera. Tuttavia, l'elettrolisi richiede molta elettricità, quindi è possibile produrre idrogeno privo di carbonio se prodotto con elettricità che non utilizza combustibili fossili, come turbine eoliche e pannelli solari.
È possibile ottenere “idrogeno verde” elettrolizzando l’acqua utilizzando energia pulita.

Esiste anche un generatore di idrogeno per la produzione su larga scala di questo idrogeno verde. Utilizzando il PEM nella sezione elettrolizzatore, l'idrogeno può essere prodotto in modo continuo.

Idrogeno blu prodotto da combustibili fossili

Quindi, quali sono altri modi per produrre idrogeno? L'idrogeno è presente nei combustibili fossili come il gas naturale e il carbone, sotto forma di sostanze diverse dall'acqua. Ad esempio, consideriamo il metano (CH4), il componente principale del gas naturale. Ci sono quattro atomi di idrogeno in questo gas. È possibile ottenere idrogeno estraendolo.
Uno di questi è un processo chiamato "reforming del metano tramite vapore" che utilizza il vapore. La formula chimica di questo metodo è la seguente.
Come potete vedere, da una singola molecola di metano è possibile estrarre monossido di carbonio e idrogeno.
In questo modo, l'idrogeno può essere prodotto attraverso processi come lo "steam reforming" e la "pirolisi" di gas naturale e carbone. Il termine "idrogeno blu" si riferisce all'idrogeno prodotto in questo modo.
In questo caso, tuttavia, monossido di carbonio e anidride carbonica vengono prodotti come sottoprodotti. Quindi è necessario riciclarli prima che vengano rilasciati nell'atmosfera. L'anidride carbonica, se non recuperata, si trasforma in idrogeno gassoso, noto come "idrogeno grigio".

Che tipo di elemento è l'idrogeno?

L'idrogeno ha numero atomico 1 ed è il primo elemento della tavola periodica.
Il numero di atomi è il più grande nell'universo, rappresentando circa il 90% di tutti gli elementi presenti. L'atomo più piccolo, costituito da un protone e un elettrone, è l'atomo di idrogeno.
L'idrogeno ha due isotopi con neutroni legati al nucleo: uno, il "deuterio", legato da neutroni, e due, il "trizio", legati da neutroni. Anche questi sono materiali adatti alla produzione di energia da fusione.
All'interno di una stella come il sole avviene la fusione nucleare dell'idrogeno in elio, che è la fonte di energia che permette alla stella di brillare.
Tuttavia, l'idrogeno raramente esiste allo stato gassoso sulla Terra. L'idrogeno forma composti con altri elementi come acqua, metano, ammoniaca ed etanolo. Poiché l'idrogeno è un elemento leggero, all'aumentare della temperatura la velocità di movimento delle sue molecole aumenta, sfuggendo alla gravità terrestre e disperdendosi nello spazio.

Come usare l'idrogeno? Utilizzo per combustione

Quindi, come viene utilizzato l'idrogeno, che ha attirato l'attenzione mondiale come fonte energetica di nuova generazione? Viene utilizzato principalmente in due modi: "combustione" e "celle a combustibile". Iniziamo con l'uso di "burn".
Esistono due tipi principali di combustione.
Il primo è il carburante per razzi. Il razzo giapponese H-IIA utilizza come carburante l'idrogeno gassoso "idrogeno liquido" e "ossigeno liquido", anch'esso in stato criogenico. Questi due vengono combinati e l'energia termica generata in quel momento accelera l'iniezione delle molecole d'acqua generate, che vengono poi trasportate nello spazio. Tuttavia, poiché si tratta di un motore tecnicamente complesso, a parte il Giappone, solo Stati Uniti, Europa, Russia, Cina e India sono riusciti a combinare con successo questo carburante.
Il secondo è la produzione di energia. Anche la generazione di energia con turbine a gas utilizza il metodo di combinazione di idrogeno e ossigeno per generare energia. In altre parole, è un metodo che considera l'energia termica prodotta dall'idrogeno. Nelle centrali termoelettriche, il calore derivante dalla combustione di carbone, petrolio e gas naturale produce vapore che aziona le turbine. Se l'idrogeno viene utilizzato come fonte di calore, la centrale sarà a zero emissioni di carbonio.

Come usare l'idrogeno? Usato come cella a combustibile

Un altro modo per utilizzare l'idrogeno è tramite celle a combustibile, che lo convertono direttamente in elettricità. In particolare, Toyota ha attirato l'attenzione in Giappone promuovendo i veicoli a idrogeno, al posto dei veicoli elettrici (EV), come alternativa ai veicoli a benzina, nell'ambito delle sue contromisure al riscaldamento globale.
Nello specifico, stiamo seguendo la procedura inversa quando introduciamo il metodo di produzione dell'"idrogeno verde". La formula chimica è la seguente.
L'idrogeno può generare acqua (calda o vapore) durante la produzione di elettricità, e può essere valutato perché non comporta un impatto ambientale. D'altro canto, questo metodo ha un'efficienza di generazione di energia relativamente bassa, del 30-40%, e richiede il platino come catalizzatore, con conseguente aumento dei costi.
Attualmente utilizziamo celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEFC) e celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC). In particolare, i veicoli a celle a combustibile utilizzano le PEFC, quindi è prevedibile una loro diffusione in futuro.

Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno sono sicuri?

A questo punto, crediamo che abbiate capito come viene prodotto e utilizzato l'idrogeno gassoso. Ma come si immagazzina questo idrogeno? Come lo si porta dove serve? E la sicurezza in quel momento? Lo spiegheremo.
In effetti, l'idrogeno è anche un elemento molto pericoloso. All'inizio del XX secolo, usavamo l'idrogeno come gas per far volare palloni, mongolfiere e dirigibili, perché era molto leggero. Tuttavia, il 6 maggio 1937, nel New Jersey, negli Stati Uniti, si verificò l'esplosione del dirigibile Hindenburg.
Dopo l'incidente, è stato ampiamente riconosciuto che l'idrogeno gassoso è pericoloso. Soprattutto quando prende fuoco, esplode violentemente con l'ossigeno. Pertanto, è essenziale "tenere lontano dall'ossigeno" o "tenere lontano dal calore".
Dopo aver preso queste misure, abbiamo ideato un metodo di spedizione.
L'idrogeno è un gas a temperatura ambiente, quindi, pur essendo ancora un gas, è molto voluminoso. Il primo metodo consiste nell'applicare un'alta pressione e comprimerlo come un cilindro quando si preparano bevande gassate. Preparate un apposito serbatoio ad alta pressione e conservatelo in condizioni di alta pressione, ad esempio 45 MPa.
Toyota, che sviluppa veicoli a celle a combustibile (FCV), sta sviluppando un serbatoio di idrogeno ad alta pressione in resina in grado di resistere a una pressione di 70 MPa.
Un altro metodo consiste nel raffreddare fino a -253 °C per produrre idrogeno liquido, stoccandolo e trasportandolo in appositi serbatoi isolati termicamente. Come il GNL (gas naturale liquefatto) quando il gas naturale viene importato dall'estero, l'idrogeno viene liquefatto durante il trasporto, riducendone il volume a 1/800 del suo stato gassoso. Nel 2020, abbiamo completato il primo vettore di idrogeno liquido al mondo. Tuttavia, questo approccio non è adatto ai veicoli a celle a combustibile perché richiede molta energia per il raffreddamento.
Esiste un metodo di stoccaggio e spedizione in serbatoi come questo, ma stiamo sviluppando anche altri metodi di stoccaggio dell'idrogeno.
Il metodo di stoccaggio prevede l'utilizzo di leghe per l'accumulo di idrogeno. L'idrogeno ha la proprietà di penetrare i metalli e deteriorarli. Questo è un concetto sviluppato negli Stati Uniti negli anni '60. J.J. Reilly et al. Esperimenti hanno dimostrato che l'idrogeno può essere immagazzinato e rilasciato utilizzando una lega di magnesio e vanadio.
Successivamente sviluppò con successo una sostanza, come il palladio, in grado di assorbire idrogeno in quantità pari a 935 volte il proprio volume.
Il vantaggio di questa lega è che può prevenire incidenti dovuti a perdite di idrogeno (principalmente esplosioni). Pertanto, può essere immagazzinata e trasportata in sicurezza. Tuttavia, se non si presta attenzione e la si lascia nell'ambiente sbagliato, le leghe per lo stoccaggio dell'idrogeno possono rilasciare idrogeno gassoso nel tempo. Anche una piccola scintilla può causare un'esplosione, quindi fate attenzione.
Presenta inoltre lo svantaggio che l'assorbimento e il desorbimento ripetuti dell'idrogeno provocano fragilità e riducono la velocità di assorbimento dell'idrogeno.
L'altra opzione è utilizzare i gasdotti. A condizione che non siano compressi e a bassa pressione per evitare l'infragilimento dei tubi, il vantaggio è che è possibile utilizzare i gasdotti esistenti. Tokyo Gas ha realizzato i lavori di costruzione del gasdotto Harumi FLAG, utilizzando i gasdotti cittadini per fornire idrogeno alle celle a combustibile.

La società futura creata dall'energia dell'idrogeno

Infine, consideriamo il ruolo che l'idrogeno può svolgere nella società.
Ma cosa ancora più importante, vogliamo promuovere una società senza emissioni di carbonio: utilizziamo l'idrogeno per generare elettricità anziché come energia termica.
Invece di grandi centrali termoelettriche, alcune famiglie hanno introdotto sistemi come ENE-FARM, che utilizzano l'idrogeno ottenuto dal reforming del gas naturale per generare l'elettricità necessaria. Tuttavia, rimane il problema di come gestire i sottoprodotti del processo di reforming.

In futuro, se la circolazione dell'idrogeno stesso aumentasse, ad esempio aumentando il numero di stazioni di rifornimento di idrogeno, sarà possibile utilizzare l'elettricità senza emettere anidride carbonica. L'elettricità produce idrogeno verde, ovviamente, quindi utilizza l'elettricità generata dalla luce solare o dal vento. L'energia utilizzata per l'elettrolisi dovrebbe essere quella necessaria per ridurre la quantità di energia generata o per caricare la batteria ricaricabile quando c'è un surplus di energia proveniente da energia naturale. In altre parole, l'idrogeno si trova nella stessa posizione della batteria ricaricabile. Se ciò accade, sarà finalmente possibile ridurre la produzione di energia termica. Il giorno in cui il motore a combustione interna scomparirà dalle auto si avvicina rapidamente.

L'idrogeno può essere ottenuto anche attraverso un'altra via. Infatti, l'idrogeno è ancora un sottoprodotto della produzione di soda caustica. Tra le altre cose, è un sottoprodotto della produzione di coke nella siderurgia. Immettendo questo idrogeno nella distribuzione, è possibile ottenere diverse fonti. Anche l'idrogeno gassoso prodotto in questo modo è fornito dalle stazioni di distribuzione.

Guardiamo più avanti nel futuro. La quantità di energia persa è anche un problema del metodo di trasmissione che utilizza i cavi per fornire energia. Pertanto, in futuro, utilizzeremo l'idrogeno trasportato tramite condotte, proprio come le bombole di anidride carbonica utilizzate per preparare le bevande gassate, e compreremo una bombola di idrogeno a casa per generare elettricità per ogni nucleo familiare. I dispositivi mobili alimentati a batterie a idrogeno stanno diventando comuni. Sarà interessante osservare un futuro del genere.