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Guido Barone » 8.Tecnologie dell'idrogeno


Presentazione

Viene presentato il concetto di vettore energetico in vista delle future reti di distribuzione dell’idrogeno. Vengono quindi discusse con qualche dettaglio tutte le tecnologie di produzione dell’idrogeno (elettrolitiche, da steam o dry reforming, da parziale ossidazione di oli minerali, da trasformazione del syngas, da pirolisi di biomasse, da attività di microrganismi naturali o geneticamente modificati e da altri metodi ancora).
I problemi connessi alla distribuzione e stoccaggio dell’idrogeno e il suo utilizzo per l’autotrazione, negli impianti fissi e nelle applicazioni nell’industria metallurgica, orafa e chimica vengono illustrati.

Obiettivi
Anche a questa lezione è stato attribuito un certo spazio di presentazione nell’economia complessiva delle fonti di energia alternative, data la molteplicità delle ricerche e applicazioni di queste tecnologie su cui sono poste molte speranze per un futuro energetico ecocompatibile. Si sottolinea che molte di queste tecnologie non sono ancora del tutto mature e richiedono forti investimenti in ricerca di base e in trasferimento alla fase operativa L’obiettivo è di far entrare in possesso degli studenti le conoscenze relative alle possibilità attuali di ottenimento e utilizzo dell’idrogeno, sia le possibilità di investimento intellettuale per i futuri sviluppi.

L’idrogeno

L’idrogeno non è una materia prima e quindi deve essere preparato a partire dall’acqua o da metano, oli minerali e altri combustibili fossili, composti organici naturali o di scarto di industrie o delle attività civili. L’idrogeno quindi non è una fonte energetica nel senso stretto del termine, ma può essere considerato piuttosto come un “vettore energetico”, cioè come uno strumento tecnologico intermedio che può trasferire convenientemente energia da una fonte primaria ad una serie di utilizzazioni sia industriali che nei servizi e nella vita di ogni giorno.
Esso offre inoltre grandi vantaggi dal punto di vista della salvaguardia dell’ambiente, sia per quello che riguarda il riscaldamento globale, sia per quello che riguarda l’inquinamento, in particolare da traffico.

Approfondimento: L’idrogeno come vettore energetico – Tecnologie dei supercavi – Metodi di Produzione – Immagazzinamento come serbatoio e/o vettore energetico – Reti di distribuzione dell’idrogeno

Cavi superconduttori che trasportano anche idrogeno liquido (da Le Scienze Nov 2006)

Cavi superconduttori che trasportano anche idrogeno liquido (da Le Scienze Nov 2006)


Produzione elettrolitica dell’idrogeno

La produzione di idrogeno per via elettrolitica è un metodo conveniente per accumulare l’energia solare che è per sua natura discontinua. Inoltre in linea di principio costa meno (sulla durata di esercizio) trasportare idrogeno in gasdotti che trasmettere elettricità via cavo, gli impianti di produzione possono essere collocati nei siti più favorevoli, anche se lontani dai luoghi dove l’idrogeno verrà utilizzato.
La produzione diretta di idrogeno partendo dall’acqua è realizzabile solo per elettrolisi o tramite reazioni fitochimiche, ma non per scissione termica che è possibile solo attorno ai 3000°C, mediante un arco elettrico.
La reazione complessiva di elettrolisi dell’acqua

2H2O (l) = 2 H2 (g) + O2(g)

ad una temperatura di 298 K e alla pressione di un bar è caratterizzata dai seguenti dati termodinamici:

ΔH° = 571 Kj/mol

ΔS° = 325 J/mol.K

ΔG°=ΔH° – TΔS° = 474 Kj/mol

Approfondimento: Produzione elettrolitica dell’idrogeno

Produzione elettrolitica dell’idrogeno

La reazione quindi non è spontanea in queste condizioni di temperatura e pressione. La reazione può essere fatta avvenire a temperature prossime a quella ambiente soltanto fornendo energia come lavoro elettrico in un reattore elettrochimico. A fini pratici per scindere l’acqua nei suoi elementi è necessaria un’energia pari ad almeno 286kJ/mol.
L’elettrolizzatore è costituito da: un elettrodo (catodo) al quale avviene la formazione di H2 un elettrodo (anodo) al quale avviene la fonnazione di O2. Tra questi due elettrodi è interposta una soluzione contenente un elettrolita di supporto che deve assicura re il trasporto elettrico in forma ionica in aggiunta agli H+ e OH- e garantire il corretto svolgersi delle reazioni agli elettrodi. Nella maggior parte dei casi per impedire il contatto e la ricombinazione dei gas che si formano ai due elettrodi è necessario dividere la soluzione in due scomparti separati da un opportuno diaframma o membrana. Un flusso di elettroni, mossi da una f.e.m. esterna, reagiscono al catodo con l’acqua liberando H2 gassoso e OHi quali possono muoversi verso l’anodo, dove avviene la reazione di parziale riduzione degli ossidrilioni a O2 con riformazione di acqua e immissione di elettroni nel circuito esterno.

Produzione elettrolitica dell’idrogeno


Produzione elettrolitica dell’idrogeno

L’energia elettrica spesa per l’e|ettrolisi può essere recuperata tramite la combustione dell’idrogeno formatosi che ne restituirebbe in quantità maggiore; in altre parole il lavoro speso è ìmmagazzinato sotto forma di idrogeno. È questa l’idea di fondo dell’impiego dell’idrogeno nelle tecnologie energetiche. Nei sistemi reali a causa delle perdite di calore durante il processo la quantità di energia necessaria è sempre superiore al minimo indispensabile.


Produzione elettrolitica dell’idrogeno

Come mostrano i due diagrammi precedenti, la scissione [rendimento = 70%) di un litro d’acqua nelle sue componenti H2 e O2, richiede per esempio circa 6.3 kWh di energia elettrica.
Il contenuto energetico dell’idrogeno cosi prodotto (circa 1.3 m3) corrisponde approssimativamente a 4.41 kWh di energia chimica.
Volendo nuovamente ricavare energia elettrica da 1.36 m3 di idrogeno con l’impiego di un ciclo combinato (turbina a gas e turbina a vapore) oppure di una cella a combustibile si otterrebbero circa 2.2 kWh di energia elettrica.
I numeri appena riportati potrebbero far apparire molto discutibile e poco conveniente la tecnologia dell’elettrolisi per la produzione di idrogeno. In realtà, il procedimento sopra descritto può essere interessante a determinate condizioni. Si pensi all’utilizzazione di energia idroelettrica in estate (basso costo, abbondanza) e allo sfruttamento dell’idrogeno immagazzinato in invemo. In questo caso, l’analisi potrebbe risultare più favorevole sia dal punto di vista economico che da quello ecologico.
In realtà anche se l’elettrolisi è il metodo migliore per la produzione di idrogeno puro incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di prodotto e per i costi ancora troppo elevati, dovuti all’impiego di energia elettrica. Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi.

Steam Reforming di metano o di idrocarburi leggeri

Oggi, circa la metà (48%) dell’idrogeno prodotto nel mondo è estratto dal gas naturale, (metano) o da frazioni leggere di petrolio, attraverso un processo ben sviluppato e altamente commercializzato di steam reforming  (trasformazione con vapore), in cui il metano o un idrocarburo leggero reagiscono con l vapore acqueo in un convertitore catalitico (al nichel o al Ni/Cu) alla temperatura di 800°C e una pressione di 2.5 MPa.

Tipici esempi di idrocarburi trattati con lo steam reforming sono il metano (CH4) e la frazione C2 – C8 del petrolio.

Approfondimento: Steam reforming di metano o idrocarburi leggeri


Steam Reforming di metano o di idrocarburi leggeri

Il primo stadio del processo è la purificazione dell’alimentazione, operata principalmente per rimuovere lo zolfo. Successivamente avviene la reazione chimica propriamente detta di steam reforming che trasforma l’idrocarburo e il vapore acqueo in idrogeno e monossido di carbonio che formano la miscela denominata “syngas”. Per il generico idrocarburo la cui molecola sia formata da n atomi di carbonio e m atomi di idrogeno la reazione è:

CnHm + n H2O → n CO + (n+m/2) H2

Il passo successivo è la shift reaction in cui il CO è trasformato con altro vapor d’acqua in CO2:

n CO + n H2O → n CO2 + n H2

La reazione complessiva risulta:

CnHm + 2n H2O → n CO2 + (2n + m/2)H2

Nel caso del metano, le due reazioni diventano:

1. CH4 + H2O → 3H2 + CO (endotermica)

2. CO + H2O → H2 +CO2 (esotermica)

Per gli idrocarburi leggeri alifatici la stechiometria è m = 2n + 2. Essi sono in grado di reagire senza lasciare residui di carbonio e questo li rende gli unici a cui può essere applicata questa reazione, perché tali residui danneggiano il catalizzatore.

Produzione di idrogeno dal syngas da gassificazione del carbone

Un impianto che vede anche delle possibilità di immagazzinamento delle CO2 prodotte nel processo di ottenimento del syngas è illustrato nelle figure seguenti. In questo caso il reattore per la gassificazione del carbone non è a letto fluido, ma l’alimentazione della polvere di carbone dell’O2 e del vapor d’acqua avviene dall’alto il che consente un più rapido smaltimento delle scorie. Il secondo reattore trasforma il syngas in H2 e CO2. Il sistema a ciclo integrato viene combinato con il sistema di immagazzinamento della CO2 che è estratta e pompata nel sottosuolo in alcuni strati impregnati di acqua salata e separati dalla superficie da rocce impermeabili.

Il syngas è in parte bruciato direttamente per azionare con i suoi fumi caldi delle turbine a gas per la produzione di elettricità e successivamente passa nel sistema a scambio di calore per produrre vapore d’acqua e quindi azionare una seconda turbina (cogenerazione). Un’altra parte del syngas (in percentuali che dipendono dal bilancio economico ed energetico dell’impianto) viene trasformato nel secondo reattore e destinato alla produzione di H2 dopo la separazione della CO2.

Approfondimento: Produzione di idrogeno dal syngas da gassificazione del carbone

Produzione di idrogeno dal syngas da gassificazione del carbone


Ossidazione parziale di oli minerali

Il processo di ossidazione parziale (POx - Partial Oxidation) consiste nella conversione esotermica di idrocarburi pesanti, quali ad esempio gli oli residui del processo di raffinazione del petrolio grezzo, con ossigeno e vapor d’acqua, in idrogeno e ossido di carbonio. L’ossigeno deve essere fornito allo stadio puro, altrimenti nella miscela si ha la contaminazione dell’idrogeno con l’azoto che sarebbe molto difficile da separare a valle del processo.

Il primo passo consiste nella reazione di ossidazione parziale.

La quantità di ossigeno vapor d’acqua sono tenute sotto controllo in modo tale che la gassificazione continui senza bisogno di ricevere energia esterna, motivo per cui la reazione può dirsi”autotermica”.Il processo può essere rappresentato dalle seguenti tre reazioni chimiche, valide per il generico idrocarburo la cui molecola sia formata da n atomi di carbonio e (2n + 2) atomi di idrogeno.

CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2 + ΔHl1

CnHm + n H2O +  ΔH2 → n CO + (n+m/2)H2

CO + H2O → CO2 + H2 + ΔH3

Ossidazione parziale di oli minerali

La prima delle tre reazioni è esotermica (ΔH1 <0) e fornisce parte del calore necessario alla seconda, che è la stessa dello steam reforming ed è endotermica, mentre la restante energia termica è assicurata dalla combustione di una parte dell’idrocarburo di alimentazione.
Nella POx non catalitica, la reazione di ossidazione avviene a temperature più elevate rispetto allo steam reforming, circa 1150÷1315°C, e anche a pressioni più elevate; il gas ottenuto è disponibile a pressioni prossime a 6 MPa. Dopo l’ossidazione la miscela ottenuta è detta grezza (raw gas) per la presenza di zolfo. Nella fase di rimozione, che avviene all’uscita del reattore, lo zolfo presente nell’idrocarburo è trasformato in H2S e in piccola parte in COS ed eliminato dalla miscela. Si è così ottenuto il syngas. Le operazioni successive sono simili a quelle dello steam reforming e prevedono la shift reaction e i processi di purificazione.
Le alimentazioni per la POx spaziano dal metano al carbone. L’idrogeno prodotto deriva dall’acqua per il 69% se si usa olio pesante e per l’83% se si usa carbone. Tuttavia il metano non è sfruttabile convenientemente in questo processo per il quale si usano solitamente gli idrocarburi più pesanti, i cui prezzi sono minori rispetto a quelli degli idrocarburi leggeri e la cui disponibilità andrà aumentando nel tempo. Il processo di ossidazione parziale è tecnologicamente maturo.
Il costo dell’impianto di ossidazione parziale è maggiore rispetto a quello dell’impianto di steam reforming: questo non dipende dal costo del reattore, che è minore rispetto al costo dell’analogo componente dell’altro impianto, ma dal costo dell’impianto di separazione dell’aria e dal costo extra di rimozione dello zolfo e delle altre impurezze che sono presenti nei combustibili pesanti in quantità maggiori che nei combustibili leggeri.

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

Come la gassificazione, anche la pirolisi, o distillazione secca, è un processol che per mezzo della decomposizione termica, spezza le molecole complesse delle sostanze organiche in elementi semplici. Essa consiste nel riscaldare la sostanza a 900-1000 °C, in assenza di ossigeno, ottenendo cosi sostanze volatili e un residuo solido.
L’applicazione di calore alle biomasse (legno, grassi e rifiuti agricoli) produce numerosi, differenti gas, tra cui l’idrogeno.
La biomassa, abbreviazione di “massa biologica”, indica qualsiasi sostanza organica, sia vivente che morta, derivata direttamente o indirettamente dalla fotosintesi. Le biomasse sono raggmppate in quattro categorie:

  1. Residui forestali e dell’industria del legno: derivano dagli interventi di manutenzione dei boschi, dalla lavorazione del legno
  2. Sottoprodotti agricoli: paglie, stocchi, ramaglie di potature, sarmenti di vite
  3. Residui agroindustriali: sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso provenienti dall’industria alimentare
  4. Colture energetiche: sono finalizzate alla produzione energetica oppure alla produzione di biocombustibile

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

La biomassa può essere usata per produrre energia, direttamente come combustibile o convertita in altri tipi di combustibile, elettricità e/o calore grazie a processi temrio-chimici e bio-chimici.
La conversione energetica avviene principalmente attraverso processi termochimici e biochimici.
I processi temfiochimici sono:

  • Combustione: è il più semplice dei processi termochimici e consiste neIl’ossidazione completa del combustibile a H2O e CO2;
  • Gassificazione: il processo di gassificazione delle biomasse prevede l’impiego sia di materiale derivati dai rifiuti solidi urbani sia da materiali specifici appositamente coltivati per essere impiegati come fonte d’energia, e consiste nella trasformazione di un combustibile solido o liquido, nel caso specifico della biomassa, in combustibile gassoso, attraverso una decomposizione termica (ossidazione parziale) ad alta temperatura. Il gas prodotto è una miscela di H2, CO, CH4, CO2, H2O (vapore acqueo) e N2, accompagnati da ceneri in sospensione e tracce di idrocarburi (C2H6.). La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi tipi di gassificaton, dei combustibili e del loro contenuto di umidità;
  • Pirolisi: è un processo di degradazione termica di un materiale (nello specifico la biomassa) in assenza di agenti ossidanti (aria o ossigeno) che porta alla produzione di componenti solide, liquide e gassose.

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

In generale, nei processi termochimici vengono utilizzati biomasse in cui il rapporto C/N (rapporto tra Carbonio ed Azoto) sia superiore a 30 e il contenuto dell’umidità non superi il 30%. Si basano sull’azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia. Per la conversione termochimica vengono utilizzati la legna e tutti i suoi derivati, i sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico e scarti di lavorazione .
Invece nei processi biochimici vengono impiegate per le biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l’umidità alla raccolta sia superiore al 30%.

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

Invece nei processi biochimici vengono impiegate per le biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l’umidità alla raccolta sia superiore al 30%.
Riguardano essenzialmente la Digestione Anaerobica, ossia la degradazione della sostanza organica in assenza di ossigeno ad opera di alcuni ceppi batterici. Questo processo interessa la biomassa con un alto grado di umidità (reflui zootecnici, la parte organica dei rifiuti solidi urbani ecc.) portando alla produzione di biogas (CH4 e CO2) e può avvenire sia nelle discariche che in reattori appositamente progettati chiamati digestori. Permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi che si formano nelle biomasse sotto particolari condizioni. Vengono utilizzati per questi processi le colture acquatiche, sottoprodotti colturali, reflui zootecnici, scarti di lavorazione.

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

Attualmente si stanno sviluppando processi di Co-Combustione e di Co-Gassificazione volti a utilizzare nello stesso impianto biomasse e combustibili tradizionali come il carbone.
Nei Paesi industrializzatile le biomasse rappresentano solo 3,2% del totale dei consumi energetici finali (circa 3,8 Gtep), mentre costituiscono il 35% nei paesi in via di sviluppo. Un importante vantaggio ambientale dell’utilizzo delle biomasse come fonte di idrogeno e il fatto che il biossido di carbonio emesso nella conversione delle biomasse, non contribuisce ad aumentare la quantità totale di gas nell’atrnosfera. Il biossido di carbonio è consumato dalle biomasse durante la crescita (fotosintesi) e solo la stessa quantità è restituita all’ambiente durante il processo della gassificazione. Purtroppo il contenuto d’idrogeno è solo del 6-6.5% , rispetto al 25% del gas naturale. Per questa ragione i costi sono ancora molto elevati e questo sistema non è competitivo.

Gassificazione e pirolisi delle biomasse

Dissociazione molecolare
Questo processo, che abbiamo trattato già nella U.F.II.10, come recupero energetico dai rifiuti solidi urbani, è un trattamento di ossidazione parziale (POx) condotto però a bassa pressione e a temperature moderate (250 – 350 °C) per evitare le formazione di sottoprodotti pericolosi.

Esempi di biomasse

Esempi di biomasse


Produzione biologica di idrogeno

Un nuovo fronte di ricerca ha sfruttato l’energia solare per estrarre idrogeno da colture di un’alga verde, la Chlamydomonas reinharditii.
Le alghe verdi geneticamente modificate hanno mostrato delle ottime potenzialità per la produzione di idrogeno. I piccoli organismi verdi producono naturalmente, durante il processo di fotosintesi, un certo quantitativo di idrogeno. Lo stesso potrebbe essere fortemente accresciuto grazie alla ricerca genetica. Sono state infatti create alghe geneticamente modificate in grado di sfruttare appieno la luce del sole. Questo potrebbe aumentare l’idrogeno prodotto di tre volte. I ricercatori hanno manipolato i geni preposti al controllo della quantità di clorofilla nelle membrane dei cloroplasti delle alghe. Per utilizzare questo processo nella produzione di idrogeno ci vorranno almeno altri cinque anni. Si stima che, ottimizzando la capacità della fotosintesi delle alghe per la produzione di idrogeno, si potrebbero ottenere fino a 80 chilogrammi di idrogeno ad uso commerciale per acro (poco più di 4000 metri quadrati) al giorno. Altri microrganismi geneticamente modificati sono allo studio da parte di molti gruppi di ricercatori che lavorano nel campo delle biotecnologie.

Chlamydomonas reinharditi

Chlamydomonas reinharditi


Dry reforming

Lo steam reforming catalitico del metano e degli idrocarburi leggeri, sottoprodotto dell’industria petrolifera, così come altri processi simili sono di gran lunga i metodi più economici per la produzione di idrogeno. D’altra parte essi non producono idrogeno puro ma sempre mescolato a tracce 0 quantità rilevanti di ossidi di carbonio. Ciò non è quanto richiesto per l’utilizzo di idrogeno nelle industrie metallurgiche e orafe, o nelle celle a combustibile alcaline, quelle che lavorano a più bassa temperatura. Dato l’alto costo dell’ottenimento per vie elettrolitica si stanno mettendo a punto altri processi per ottenere idrogeno da metano, idrocarburi e altre fonti secondarie di prodotti carboniosi, senza formazione di CO e CO2. Ad esempio il termocracking del metano porta a:

CH4 → H2 + C2H4 , C2H2

Approfondimento: Dry reforming

Dry reforming

La conversione termica del carbone (Hydrocarb)
Il processo avanzato chiamato Hydrocarb è stato concepito per la produzione di carbonio puro (carbon black) da materiali grezzi carboniosi, il più abbondante dei quali è il carbone. Il sottoprodotto di questo processo è un gas ricco di idrogeno o di metano.
Il processo consiste nella idrogenazione del materiale grezzo contenente carbonio, che spesso è appunto il carbone, per produrre principalmente metano con piccole quantità di CO, CO2 e acqua. Dopo aver separato l’acqua, il fluido ricco di metano è inviato ad un impianto di termocracking dove e decomposto in particolato di carbonio e idrogeno puro.

Dry reforming

Processo Kværner

Fin dai primi anni ‘80, l’azienda norvegese Kværner Engineering S. A. sta sviluppando un processo denominato “Kværner Carbon Black and Hydrogen Process” (KCB&H) che separa direttamente gli idrocarburi nei loro costituenti, cioè carbonio puro e idrogeno, utilizzando la tecnologia dell’arco elettrico e del plasma. Questo processo non produce emissioni significative e richiede, assieme alla fonte primaria, che spazia dal gas naturale alle frazioni più pesanti del petrolio, anche acqua di raffreddamento ed elettricità. Nel reattore, la temperatura di 1600°C, necessaria per scindere la molecola di idrocarburo, è raggiunta grazie all’energia fornita dalla torcia al plasma. E’ stato anche utilizzato un plasma in condizioni di non equilibrio generato da microonde.
Il primo problema di questi metodi è quello di ottenere un riscaldamento molto rapido dell’idrocarburo fino a 1200 – 1400 K e mantenere a regime una reazione fortemente endotermica:

CH4 → 2H2 + C (particolato)

d’altra parte occorre anche realizzare un quenching altrettanto rapido per evitare reazioni secondarie ad alta temperatura. Per far questo si sono utilizzati dei catalizzatori in forma di fogli sottili che fungono sia da scambiatori che da assorbitori di prodotti indesiderati. Si può anche rinunciare al catalizzatore e portare la temperatura a 1500 – 2000 K.

Altri metodi

Una alternativa alla decomposizione elettrochimica dell’acqua e la decomposizione termochimica, detta termolisi, che utilizza solo energia termica per scindere la molecola di acqua. La massima efficienza termica che si può
raggiungere teoricamente utilizzando il solo calore come energia primaria è pari a circa il 50%. Il principale vantaggio rispetto all’elettrolisi è che vengono evitati gli elevati costi dell’energia elettrica necessaria per quel processo.

Altri metodi

Idrogeno come sottoprodotto di processi convenzionali

Molti processi produttivi comunemente utilizzati nell’industria producono idrogeno in diverse quantità come sottoprodotto.

  • L’idrogeno è prodotto come i gas leggeri nei processi di raffinazione del petrolio grezzo.
  • L’idrogeno è ottenuto nella produzione di coke dal carbone con la reazione seguente

CH0.8 O0.2 → 0,8C+0,2 C0+0,4H

dove il termine CH0.8 O0.2 rappresenta il carbone grezzo.

  • L’idrogeno è emesso nel processo di deidrogenazione come nella produzione dell’etilene, secondo la reazione
C2H6  C2H4 + H2

Altri metodi

Anche nel caso di impianti di larga scala, generalmente queste sorgenti di sottoprodotti non sono di consistenza sufficiente e sono troppo costose per essere prese in considerazione come sorgenti di grande scala di idrogeno.
L’idrogeno può essere prodotto anche in altri due modi:

  • decomposizione dell’ammoniaca in azoto e idrogeno e recupero di quest’ultimo con la reazione

2NH3 → N2 +3H2

vi è però un problema di separazione dell’azoto;

  • decomposizione del metanolo in monossido di carbonio e idrogeno seguito dalla shift reaction, questo procedimento è detto reforming del metanolo:

CH3 OH → CO+2H2
CO+ H2O  CO2+ H2

Stoccaggio e Distribuzione dell’idrogeno

L’idrogeno potrebbe essere davvero il combustibile del futuro perché rispetto a un motore alimentato a benzina, il motore a idrogeno non provoca emissioni inquinanti tranne gli ossidi di azoto, ma anche questi in misura ridotta rispetto a un tradizionale motore a benzina. Il problema degli ossidi di azoto , invece, è risolto se l’idrogeno va ad alimentare una macchina con cella a combustibile.
Esistono però ancora ostacoli significativi soprattutto per quanto riguarda lo stoccaggio di H2. Infatti l’idrogeno ha un contenuto di energia triplo rispetto alla benzina, ma per ora non è possibile immagazzinarlo in modo semplice come per gli altri carburanti.
Uno degli obiettivi più importanti è l’immagazzinamento sicuro e efficiente di una quantità di idrogeno tale da garantire l’autonomia e le prestazioni richieste dagli autoveicoli.

Stoccaggio e Distribuzione dell’idrogeno

Quindi i dispositivi di stoccaggio dovrebbero:
- contenere una quantità di idrogeno sufficiente a garantire un’autonomia di almeno 450 km in un serbatoio con un volume che non comprometta le dimensioni dell’abitacolo o del portabagagli;
- garantire il rilascio dell’idrogeno alle velocità di flusso necessarie per un’accelerazione utile;
- operare a temperature ordinarie;
- permettere il rifornimento in pochi minuti e a costi ragionevoli;
- occorre una rete di distribuzione efficiente e diffusa.

Stoccaggio e Distribuzione dell’idrogeno

L’idrogeno può essere immagazzinato come gas compresso in bombole ad alta pressione, come idrogeno liquido in adatti contenitori criogenici, oppure allo stato solido in idruri metallici o in altri materiali in grado di assorbirlo in quantità apprezzabile.
Il sistema per lo stoccaggio d’idrogeno che verrà poi utilizzato per applicazioni stazionarie, come il riscaldamento per abitazioni o applicazioni industriali, può occupare una grande area, utilizzare diversi cicli chimici operanti ad alte temperature e pressioni e compensare una bassa cinetica con un’alta capacità.
Invece, il sistema per lo stoccaggio d’idrogeno che verrà poi utilizzato per trasporto deve necessariamente rispettare delle specifiche di volume e peso dei veicoli.
L’idrogeno ha una buona densità energetica per peso, ma ha una bassa densità energetica/volume rispetto agli idrocarburi, e dunque richiede un serbatoio di maggiori dimensioni, anche impiegando energia addizionale per comprimerlo, cosa che comporta problemi di sicurezza per l’alta pressione del gas. Dato che si tratta di una molecola molto piccola, l’idrogeno tende a diffondere attraverso ogni materiale di rivestimento che venga utilizzato per contenerlo, portando alla imbibizione di idrogeno dello stesso materiale, oppure indebolendo il contenitore. Per questi motivi si presenta il problema dell’immagazzinamento o stoccaggio.

I materiali di supporto della lezione

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AA.VV. "Material Matters" "Hydrogen Storage Materials" Sigma-Aldrich Pub. 2.2, 2007

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N. Armaroli, V. Balzani "Energia oggi e domani" - Bononia University Press 2004

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C. Bertani "Energia, Natura e Civiltà" - G. Giunti Ed. 2002

D. Cataldo Tesi di Laurea in Scienze Ambientali Napoli marzo 2008

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Approfondimento: Dry reforming

Approfondimento: L'idrogeno come vettore energetico - Tecnologi...

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Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion