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Idrogeno: il futuro dell’energia

Idrogeno: il futuro dell'energia

L’idrogeno costituirà in futuro un’importantissima risorsa per la conversione energetica ecosostenibile, al pari di tutte le altre energie rinnovabili già consolidate.
L’idrogeno è un gas estremamente efficiente e soprattutto innocuo per noi e per l’ambiente. L’idrogeno sarà la fonte di energia del futuro.
L’unico prodotto di scarto derivato dalla sua combustione è la semplice acqua, tutta un’altro paio di maniche rispetto ai combustibili fossili che producono  CO2: il gas nemico dell’ambiente.
Insomma un gas eco-friendly che se sfruttato al meglio darà un forte impulso alla conversione energetica sostenibile.

Che cos’è l’idrogeno?

L’idrogeno (H) è l’atomo più semplice dell’universo: 1 protone e 1 elettrone e perciò è stato il primo elemento a formarsi negli istanti successivi al big bang.
È l’elemento più leggero e il più abbondante dell’universo.

Una serie lunghissima di eventi casuali succeduti al Big Bang l’ha portato anche qui da noi sulla Terra.
È quasi assente in atmosfera nella sua forma pura H2 poiché è talmente leggero da sfuggire addirittura alla gravità del nostro pianeta.
Lo troviamo quindi sempre all’interno di molecole più pesanti come l’acqua (H2O) ma anche in composti organici ad esempio il metano (CH4).Una serie lunghissima di eventi casuali succeduti al Big Bang l’ha portato anche qui da noi sulla Terra.
È quasi assente in atmosfera nella sua forma pura H2 poiché è talmente leggero da sfuggire addirittura alla gravità del nostro pianeta.
Lo troviamo quindi sempre all’interno di molecole più pesanti come l’acqua (H2O) ma anche in composti organici ad esempio il metano (CH4).

Proprietà chimiche

  • Il suo peso specifico è 0,0899 g/l

  • Il punto di ebollizione è -252,77 °C

  • Allo stato libero, a pressione atmosferica e temperatura ambiente (298 K), si trova sotto forma di gas biatomico avente formula H2, incolore, inodore, insapore.

  • È un gas altamente infiammabile che si combina spontaneamente e in modo esplosivo con l’ossigeno producendo fiamme invisibili velocissime dalla temperatura di 2700°C.

  • L’idrogeno è un combustibile molto efficiente in quanto dotato di grande potere calorifico. Il potere calorifico indica la quantità di calore prodotta dalla combustione completa di una quantità unitaria di gas, espressa in gas o in volume, a determinate condizioni.

     

Nel 1766 Henry Cavendish osservò che dalla reazione di un metallo con un acido si liberò un gas incolore e inodore che definì “aria infiammabile”.
Qualche anno dopo, Lavoisier ne verificò la scoperta e siccome la sua combustione produceva acqua decise di chiamarlo Hydrogène, in greco “generatore di acqua”.

Come si ricava l’idrogeno?

Per quanto l’idrogeno sia  l’elemento più diffuso dell’universo, è estremamente difficile da ricavare. Come spiegato in precedenza, in natura lo troviamo sempre legato ad altri elementi come l’ossigeno o il carbonio. Dunque per ottenere idrogeno puro H2 deve essere separato tramite processi che impiegano energia termica (calore) o elettrica.
Attualmente l’idrogeno viene ricavato tramite i seguenti processi:

Dai combustibili fossili

  • STEAM REFORMING: il 90% dell’idrogeno prodotto attualmente. Viene ricavato da combustibili leggeri come il metano.

     

  • GASSIFICAZIONE: il 7% dell’idrogeno prodotto. Viene ricavato tramite la gassificazione del carbone.

Dall’acqua

  • ELETTROLISI DELL’ACQUA: costituisce solo il 3% dell’idrogeno in commercio. Viene ricavato tramite la separazione dell’acqua in H2 e ossigeno

Steam reforming:

Lo steam reforming del metano è un processo altamente commercializzato attraverso il quale si produce circa il 90% dell’idrogeno mondiale.
Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa.
Nello steam reforming (SMR) viene fatto reagire il metano con del vapore acqueo. Il medesimo processo viene utilizzato nelle tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS).
Nella prima fase il metano CH4 viene separato in carbonio C e idrogeno 2H2 .
Entrambi si legheranno all’ossigeno per formare CO e 2H2O.
Nella seconda fase il monossido di carbonio CO e l’acqua H2O reagiscono e generano a loro volta CO2 e H2.
I costi dello SMR sono notevolmente inferiori a quelli dell’elettrolisi e competitivi con quelli delle altre tecnologie.
L’impatto ambientale è inoltre ridotto se la CO2 prodotta dalla reazione viene stoccata in appositi spazi anziché emessa in atmosfera.

Gassificazione:

Con questo procedimento viene prodotto circa il 7% dell’idrogeno in commercio.
La gassificazione è un processo molto simile allo SMR con la differenza che in questo caso vengono fatti reagire carbone C e vapore acqueo H2O.
I prodotti della reazione finale sono CO2 e H2 che vengono separati tramite membrane.

I prodotti della reazione finale sono CO2 e H2 che vengono separati tramite membrane.
Così come nello Steam Reforming viene prodotta CO2 di scarto che se viene immagazzinata rende tale processo a basso impatto ambientale.

Elettrolisi dell’acqua per produrre idrogeno: 

L’elettrolisi sfrutta l’utilizzo di energia elettrica per separare l’acqua in H2 e O e rappresenta solo il 3% dell’idrogeno in commercio.
In questo processo l’energia elettrica si trasforma in energia chimica, senza la dispersione che si avrebbe tramite processi termodinamici.
Nella cella elettrolitica, in soluzione, vengono immersi due elettrodi collegati a un generatore; in questo modo i cationi (H+) vengono attratti dal catodo, l’elettrodo negativo, mentre gli anioni (-OH) sono attratti dall’anodo, l’elettrodo positivo. Di per sé l’acqua non è un buon conduttore quindi si aggiunge in soluzione solfato di sodio (Na2SO4) che si dissocia in ioni sodio (Na+) e ioni solfato (SO42-)

La reazione finale ottenuta è:  2H2O → O2 + 2H2.

Impieghi dell’idrogeno

La domanda di idrogeno è destinata a crescere poiché utilizzato in innumerevoli applicazioni. Principalmente viene impiegato nella produzione di altri composti, nella produzione di energia e per immagazzinare l’energia.

Idrogeno come vettore energetico

L’impiego più interessante e dalle più ampie prospettive di sviluppo è sicuramente quello dell’idrogeno come vettore energetico. Cosa significa?

Per produrre idrogeno abbiamo visto come sia necessario spendere grandi quantità di energia termica o elettrica.
Il potenziale dell’idrogeno sta proprio nel fatto che quasi tutta l’energia impiegata nella sua produzione viene immagazzinata sotto forma di energia chimica, pronta a essere subito riutilizzata.

Immagazzinamento energetico

Un grande problema delle centrali elettriche rinnovabili è sicuramente quello di produrre energia elettrica in eccesso che se non immagazzinata in maniera efficiente verrebbe dispersa.
Uno dei metodi più efficienti per immagazzinare tale energia è sicuramente l’idrogeno.
Se si impiega l’energia in eccesso delle centrali elettriche per produrre nuovo idrogeno tramite elettrolisi o altri processi sopra citati, allora tale energia verrebbe trasformata in energia chimica.
L’idrogeno prodotto potrà poi essere utilizzato per produrre di nuovo energia elettrica qualora servisse tramite elettrolisi o combustione.
Dato che le centrali rinnovabili come il solare o l’eolico funzionano solo in certi momenti della giornata, immagazzinare l’energia in eccesso è fondamentale.
Questo sorprendente gas fungerebbe così da batteria per l’energia in eccesso.

Produzione energia

L’idrogeno, come abbiamo visto in precedenza, è un combustibile estremamente efficiente.
Può essere dunque impiegato come sostituto ai combustibili fossili in tutti i processi in cui avvengono reazioni termiche.
Può essere utilizzato quindi per produrre energia elettrica o in altri processi di combustione.
L’idrogeno rappresenta il futuro nei processi di combustione industriali e nell’alimentazione dei veicoli.

Il carburante del futuro

L’idrogeno viene tutt’ora utilizzato per alimentare motori ad idrogeno. Questi motori vengono già impiegati nell’industria automobilistica e aerospaziale. Insomma l’idrogeno è la fonte di energia del futuro.

La reazione di combustione tra Idrogeno e Ossigeno genera un lavoro meccanico maggiore rispetto a quello prodotto dalla combustione della benzina. Risulta quindi essere molto efficiente e soprattutto.
Nell’industria spaziale viene impiegato da decenni come combustibile e per produrre acqua a bordo delle navicelle.

Un’altro tipo di impiego prevede l’elettrolisi dell’idrogeno all’interno di un motore a celle combustibili per produrre energia elettrica da sfruttare per esempio per muovere un’auto.
Possibili futuri impieghi del motore a idrogeno saranno all’interno di navi e treni, dato che le bombole necessarie per alimentarlo sono ancora troppo grandi per essere impiegate nello sviluppo di automobili su larga scala, pur essendocene già alcune sul mercato.
Inoltre i distributori di idrogeno sono ancora molto poco diffusi, ad esempio in Italia ne troviamo uno a Milano, Firenze e Roma.

Industria chimica

La maggior parte dell’idrogeno viene impiegato nella produzioni di composti chimici come l’ ammoniaca, alcool metilico (metanolo), concimi per l’agricoltura e prodotti petroliferi, e nell’industria metallurgica per il trattamento dei metalli.

I pro e i contro dell’idrogeno

Pro:

  • Non è inquinante:  
    La combustione dell’idrogeno ha come unico prodotto di scarto il vapore acqueo.
  • Ottimo vettore energetico:
    È un efficientissimo vettore energetico in grado di immagazzinare e rilasciare energia quando serve.
  • Sostituto ai combustibili fossili:
    Può essere impiegato per alimentare motori ad idrogeno che non inquinano l’atmosfera.

Contro:

  • Difficile da ricavare:
    L’idrogeno deve essere ricavato da altre sostanze come l’acqua e il metano tramite processi dispendiosi e ancora molto costosi.
  • Difficile da stoccare:
    L’idrogeno deve essere stoccato in grosse cisterne ad alta pressione oppure sotto forma di liquido a bassissime temperature. Ciò richiede energia e implica difficoltà non indifferenti nel trasporto.

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