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”, ciascuno dei quali ha un metodo di produzione diverso. Spiegheremo inoltre ciascun metodo di produzione, le proprietà fisiche degli elementi, i metodi di stoccaggio/trasporto e i metodi di utilizzo. E presenterò anche il motivo per cui è la fonte energetica dominante di prossima generazione.
Elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno verde
Quando si utilizza l’idrogeno, è comunque importante “produrre idrogeno”. Il modo più semplice è “elettrolizzare l’acqua”. Forse hai fatto scienze alle elementari. Riempire il bicchiere con acqua e gli elettrodi nell'acqua. Quando una batteria è collegata agli elettrodi ed energizzata, nell'acqua e in ciascun elettrodo si verificano le seguenti reazioni.
Al catodo, H+ ed elettroni si combinano per produrre gas idrogeno, mentre l'anodo produce ossigeno. Tuttavia, questo approccio va bene per gli esperimenti scientifici scolastici, ma per produrre idrogeno a livello industriale è necessario preparare meccanismi efficienti adatti alla produzione su larga scala. Questa è “elettrolisi della membrana elettrolitica polimerica (PEM)”.
In questo metodo, una membrana polimerica semipermeabile che consente il passaggio degli 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 si spostano attraverso una membrana semipermeabile fino al catodo, dove diventano idrogeno molecolare. D'altra parte, gli ioni di ossigeno non possono passare attraverso la membrana semipermeabile e diventare molecole di ossigeno all'anodo.
Anche nell'elettrolisi dell'acqua alcalina, si crea idrogeno e ossigeno separando l'anodo e il catodo attraverso un separatore attraverso il quale possono passare solo gli ioni idrossido. Inoltre, esistono metodi industriali come l'elettrolisi del vapore ad alta temperatura.
Eseguendo questi processi su larga scala si possono 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 avrebbe alcun impatto ambientale negativo se rilasciato nell’atmosfera. Tuttavia, l’elettrolisi richiede molta elettricità, quindi l’idrogeno privo di carbonio può essere prodotto se viene 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 dell'elettrolizzatore, l'idrogeno può essere prodotto in modo continuo.
Idrogeno blu ottenuto da combustibili fossili
Quindi, quali sono gli altri modi per produrre idrogeno? L’idrogeno esiste nei combustibili fossili come il gas naturale e il carbone come sostanze diverse dall’acqua. Consideriamo ad esempio il metano (CH4), il componente principale del gas naturale. Qui ci sono quattro atomi di idrogeno. Puoi ottenere idrogeno estraendo questo idrogeno.
Uno di questi è un processo chiamato “steam metano reforming” che utilizza vapore. La formula chimica di questo metodo è la seguente.
Come puoi vedere, il monossido di carbonio e l'idrogeno possono essere estratti da una singola molecola di metano.
In questo modo, l’idrogeno può essere prodotto attraverso processi come lo “steam reforming” e la “pirolisi” del gas naturale e del carbone. “Idrogeno blu” si riferisce all’idrogeno prodotto in questo modo.
In questo caso, però, come sottoprodotti vengono prodotti monossido di carbonio e anidride carbonica. Quindi bisogna riciclarli prima che vengano rilasciati nell'atmosfera. L’anidride carbonica come sottoprodotto, se non recuperata, diventa gas idrogeno, 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 dell'universo e rappresenta circa il 90% di tutti gli elementi dell'universo. L'atomo più piccolo costituito da un protone e un elettrone è l'atomo di idrogeno.
L'idrogeno ha due isotopi con neutroni attaccati al nucleo. Un “deuterio” legato a neutroni e due “trizio” legati a neutroni. Questi sono anche materiali per la generazione 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 per far brillare la stella.
Tuttavia, l’idrogeno raramente esiste come gas 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 molecole di idrogeno aumenta e fuoriescono dalla gravità terrestre verso lo spazio.
Come utilizzare l'idrogeno? Utilizzo per combustione
Allora come viene utilizzato l’“idrogeno”, che ha attirato l’attenzione di tutto il mondo come fonte di energia di prossima generazione? Viene utilizzato in due modi principali: “combustione” e “cella a combustibile”. Cominciamo con l'uso di “bruciare”.
Esistono due tipi principali di combustione utilizzati.
Il primo è come carburante per missili. Il razzo giapponese H-IIA utilizza come combustibile il gas idrogeno “idrogeno liquido” e l'”ossigeno liquido”, anch'esso in stato criogenico. Questi due si combinano e l'energia termica generata in quel momento accelera l'iniezione delle molecole d'acqua generate, che volano nello spazio. Tuttavia, poiché si tratta di un motore tecnicamente difficile, ad eccezione del Giappone, solo gli Stati Uniti, l’Europa, la Russia, la Cina e l’India hanno combinato 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 guarda all'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 elettrica sarà a zero emissioni di carbonio.
Come utilizzare l'idrogeno? Utilizzato come cella a combustibile
Un altro modo di utilizzare l’idrogeno è come una cella a combustibile, che converte l’idrogeno direttamente in elettricità. In particolare, Toyota ha attirato l’attenzione in Giappone pubblicizzando veicoli alimentati a idrogeno invece di veicoli elettrici (EV) come alternativa ai veicoli a benzina come parte delle sue contromisure contro il riscaldamento globale.
Nello specifico, stiamo eseguendo la procedura inversa quando introduciamo il metodo di produzione dell’“idrogeno verde”. La formula chimica è la seguente.
L’idrogeno può generare acqua (acqua calda o vapore) mentre genera elettricità e può essere valutato perché non impone alcun onere all’ambiente. D'altra parte, questo metodo ha un'efficienza di generazione di energia relativamente bassa, pari al 30-40%, e richiede platino come catalizzatore, richiedendo quindi costi maggiori.
Attualmente utilizziamo celle a combustibile con elettrolita polimerico (PEFC) e celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC). In particolare, i veicoli a celle a combustibile utilizzano il PEFC, quindi si prevede che si diffonderà in futuro.
Lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno sono sicuri?
A questo punto, pensiamo che tu abbia capito come viene prodotto e utilizzato il gas idrogeno. Allora come si immagazzina questo idrogeno? Come ottenerlo dove ti serve? E la sicurezza in quel momento? Lo spiegheremo.
Infatti anche l’idrogeno è un elemento molto pericoloso. All'inizio del 20° secolo, usavamo l'idrogeno come gas per far galleggiare palloncini, palloncini e dirigibili nel cielo 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 il gas idrogeno è pericoloso. Soprattutto quando prende fuoco, esploderà violentemente con l'ossigeno. Pertanto, “tenere lontano dall’ossigeno” o “tenere lontano dal calore” è essenziale.
Dopo aver preso queste misure, abbiamo ideato un metodo di spedizione.
L'idrogeno è un gas a temperatura ambiente, quindi anche se è ancora un gas, è molto ingombrante. Il primo metodo consiste nell'applicare un'alta pressione e comprimerlo come un cilindro quando si preparano bevande gassate. Preparare uno speciale serbatoio ad alta pressione e conservarlo in condizioni di alta pressione come 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 raffreddarlo fino a -253°C per produrre idrogeno liquido, immagazzinarlo e trasportarlo in speciali serbatoi termoisolati. Come il GNL (gas naturale liquefatto), quando il gas naturale viene importato dall’estero, l’idrogeno viene liquefatto durante il trasporto, riducendo il suo 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 raffreddarsi.
Esiste un metodo per immagazzinare e spedire l’idrogeno in serbatoi come questo, ma stiamo sviluppando anche altri metodi di stoccaggio dell’idrogeno.
Il metodo di stoccaggio prevede l'utilizzo di leghe per lo stoccaggio dell'idrogeno. L'idrogeno ha la proprietà di penetrare i metalli e di deteriorarli. Questo è un suggerimento per lo sviluppo sviluppato negli Stati Uniti negli anni '60. JJ Reilly et al. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'idrogeno può essere immagazzinato e rilasciato utilizzando una lega di magnesio e vanadio.
Successivamente, ha sviluppato con successo una sostanza, come il palladio, in grado di assorbire l'idrogeno 935 volte il proprio volume.
Il vantaggio dell'utilizzo di questa lega è che può prevenire incidenti dovuti a perdite di idrogeno (principalmente incidenti dovuti a esplosioni). Pertanto, può essere immagazzinato e trasportato in modo sicuro. Tuttavia, se non si presta attenzione e lo si lascia nell’ambiente sbagliato, le leghe per lo stoccaggio dell’idrogeno possono rilasciare gas idrogeno nel tempo. Bene, anche una piccola scintilla può causare un'esplosione accidentale, quindi fai attenzione.
Presenta inoltre lo svantaggio che ripetuti assorbimenti e desorbimenti di idrogeno portano all'infragilimento e riducono la velocità di assorbimento dell'idrogeno.
L'altro è usare i tubi. Esiste la condizione che non sia compresso e che sia a bassa pressione per evitare l'infragilimento dei tubi, ma il vantaggio è che è possibile utilizzare i tubi del gas esistenti. Tokyo Gas ha realizzato i lavori di costruzione del FLAG Harumi, utilizzando i gasdotti cittadini per fornire idrogeno alle celle a combustibile.
La società futura creata dall’energia dell’idrogeno
Consideriamo infine il ruolo che l’idrogeno può svolgere nella società.
Ancora più importante, vogliamo promuovere una società senza emissioni di carbonio, utilizziamo l’idrogeno per generare elettricità invece che come energia termica.
Al posto delle 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 la questione di cosa fare con i sottoprodotti del processo di riforma.
In futuro, se la circolazione stessa dell’idrogeno aumenta, ad esempio aumentando il numero delle 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 sopprimere la quantità di generazione di energia o per caricare la batteria ricaricabile quando c'è energia in eccesso dall'energia naturale. In altre parole, l’idrogeno si trova nella stessa posizione della batteria ricaricabile. Se ciò accadesse, sarà finalmente possibile ridurre la produzione di energia termica. Il giorno in cui il motore a combustione interna scomparirà dalle automobili si avvicina rapidamente.
L’idrogeno può essere ottenuto anche attraverso un’altra via. Infatti l’idrogeno è ancora un sottoprodotto della produzione della soda caustica. Si tratta, tra l'altro, di un sottoprodotto della produzione di coke nella produzione del ferro. Se inserisci questo idrogeno nella distribuzione, sarai in grado di ottenere più fonti. Anche il gas idrogeno così prodotto viene fornito dalle stazioni di idrogeno.
Guardiamo più lontano nel futuro. La quantità di energia persa è anche un problema con il metodo di trasmissione che utilizza cavi per fornire energia. Pertanto, in futuro utilizzeremo l’idrogeno fornito dalle condutture, proprio come i serbatoi di acido carbonico utilizzati per produrre bevande gassate, e compreremo un serbatoio di idrogeno a casa per generare elettricità per ogni famiglia. I dispositivi mobili che funzionano con batterie a idrogeno stanno diventando comuni. Sarà interessante vedere un futuro del genere.
Orario di pubblicazione: 08-giu-2023
