Come il Metanolo e l'Idrogeno Solido Stanno Rivoluzionando l'Immagazzinamento e il Trasporto dell'Idrogeno

Il metanolo (CH3OH) è un materiale fondamentale nell’ingegneria chimica e come vettore di energia da biomassa. La sua capacità di immagazzinare idrogeno è una delle caratteristiche che lo rende particolarmente interessante: infatti, il metanolo è in grado di contenere una densità di idrogeno di 12,5% in peso e di 99 g/L in volume. Un aspetto innovativo è che, attraverso una reazione di reforming catalitico con acqua, è possibile estrarre idrogeno aggiuntivo, portando la densità di idrogeno per unità di massa a ben 18,75%. Questo permette di considerare il metanolo come una soluzione altamente efficiente per lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno in forma liquida, che si conserva facilmente a temperatura e pressione normali, senza necessitare di impianti complessi di compressione o refrigerazione.

Il metanolo è disponibile in abbondanza e proviene da fonti sia tradizionali, come l'industria chimica, sia rinnovabili, rendendolo una risorsa versatile e facilmente accessibile. Un ulteriore vantaggio significativo dell'uso del metanolo per l'immagazzinamento dell'idrogeno è che non richiede la costruzione di stazioni di rifornimento ad alta pressione come quelle necessarie per l'idrogeno gassoso, ma permette la riconversione di stazioni di servizio esistenti, creando punti di rifornimento che possono gestire benzina, diesel e soluzioni di metanolo/acqua.

Tuttavia, la tecnologia di immagazzinamento dell'idrogeno basata sul reforming del metanolo presenta alcune limitazioni. I principali ostacoli sono la bassa efficienza di preparazione, la scarsa selettività, l'alto costo di produzione e l'elevato consumo energetico del metanolo verde. Inoltre, il processo di produzione di idrogeno da metanolo è associato a un costoso impianto di separazione dell’idrogeno puro, che comporta elevati costi operativi e una durata limitata delle apparecchiature. Questi aspetti devono essere migliorati per rendere il metanolo una soluzione davvero competitiva e conveniente nel lungo termine.

A seconda dello scenario applicativo, i materiali per immagazzinamento dell’idrogeno solido possono essere scelti per soddisfare esigenze specifiche. Alcuni sistemi operano a pressioni di carico e scarico dell’idrogeno che vanno da 0,01 a 20 MPa, con temperature di carico e scarico che spaziano da −196 a 600 °C. I meccanismi di immagazzinamento dell’idrogeno solido possono essere distinti in due categorie: fisici e chimici. L'immagazzinamento fisico avviene tramite l'adsorbimento e desorbimento dell'idrogeno grazie a forze di van der Waals tra il materiale e le molecole di idrogeno. Tra i materiali utilizzati ci sono il carbonio, i materiali zeolitici e i materiali a struttura metallico-organica. L'immagazzinamento chimico implica invece l'uso di legami chimici per intrappolare gli atomi di idrogeno, come avviene negli idruri metallici, nei complessi di idruri, negli ammine-borani e nelle loro derivate.

I materiali di idrogeno solido possono essere ulteriormente suddivisi in base al metodo di rilascio dell’idrogeno. Alcuni rilasciano idrogeno tramite decomposizione termica, un processo relativamente comune, mentre altri utilizzano la reazione di idrolisi, come nel caso del sodio boridrico e del magnesio idruri. La reazione di idrolisi consente una produzione di idrogeno con alta densità energetica, rendendo questo tipo di materiale ideale per applicazioni in ambiti specifici, come i dispositivi subacquei, i droni o le stazioni di ricarica per veicoli a celle a combustibile.

Inoltre, i sistemi di stoccaggio idrogeno da idrolisi presentano vantaggi significativi per l’uso in fonti di energia di emergenza o di backup. La densità energetica delle celle a combustibile a idrogeno da idrolisi può essere 2-3 volte quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio, offrendo una fonte di energia leggera e facilmente trasportabile, ideale per applicazioni in situazioni di emergenza o per dispositivi portatili. Un esempio è l’utilizzo del sodio boridrico come fonte di idrogeno per celle a combustibile sviluppato dalla ProtOnex Technology Corporation, che è stato impiegato in droni e sistemi di sorveglianza.

Tuttavia, è importante considerare non solo l’efficienza dei vari sistemi di stoccaggio, ma anche il loro costo, la sicurezza operativa e la durata di vita utile, poiché questi fattori influenzano direttamente la competitività delle diverse soluzioni rispetto ai metodi tradizionali di stoccaggio dell’idrogeno. La ricerca continua a lavorare su miglioramenti significativi nei processi di produzione e nelle tecnologie di immagazzinamento per ridurre i costi e migliorare l'efficienza complessiva di queste soluzioni innovative.

Quali sono i materiali microporosi più promettenti per lo stoccaggio dell'idrogeno?

I materiali microporosi, ampiamente impiegati nel campo dello stoccaggio dell'idrogeno, hanno suscitato un crescente interesse per la loro capacità di assorbire gas in modo efficiente. Secondo la definizione della International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), i materiali microporosi sono caratterizzati da pori di dimensioni inferiori ai 2 nm. La peculiarità di questi materiali risiede nell'ampia superficie specifica che possiedono, la quale consente un'efficace adsorbimento dell'idrogeno sulle pareti dei pori sotto forma di molecole, principalmente tramite le deboli interazioni di van der Waals tra la superficie solida e le molecole di idrogeno. Questa interazione favorisce una densità di stoccaggio superiore rispetto al gas libero.

I materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno a base di fisisorbimento comprendono carbone, zeoliti, strutture metal-organiche (MOFs), strutture organiche covalenti (COFs) e polimeri organici porosi (POPs). Ogni categoria presenta vantaggi e svantaggi specifici, e la ricerca si concentra sull'identificazione dei materiali con la miglior performance in termini di capacità di adsorbimento e stabilità a temperature più elevate.

I materiali in carbonio, come il carbone attivo, i nanotubi di carbonio e altri, sono tra i più studiati per lo stoccaggio dell'idrogeno, grazie alla loro superficie specifica elevata, stabilità termica e chimica, e costi contenuti. Un esempio significativo è il carbone BPL, che presenta una capacità di stoccaggio di idrogeno a 77 K pari all'1,86% in peso e 16,5 g/L. Tuttavia, i materiali in carbonio presentano alcune limitazioni, come una bassa capacità di adsorbimento dell'idrogeno e la difficoltà nel controllo delle dimensioni e della struttura dei pori.

Le zeoliti, sebbene vantino un'alta superficie specifica, una buona cristallinità e una buona stabilità chimica, sono altrettanto soggette a difficoltà legate alla scarsa interazione con l'idrogeno, alla difficoltà di controllo delle dimensioni dei pori e alla limitata capacità di stoccaggio in peso. Un esempio di zeolite è la NaX, che ha una capacità di stoccaggio di idrogeno pari all'1,79% in peso a 77 K e 1,5 MPa.

Anche i materiali COF e POP, purtroppo, non sono esenti da difficoltà, come la bassa capacità di adsorbimento a causa della carenza di siti di adsorbimento forti per l'idrogeno. La ricerca continua in questi settori, ma molti dei materiali disponibili soffrono delle stesse problematiche generali: difficoltà nel controllo della struttura, scarsa capacità di adsorbimento a temperature più alte e complessità nella lavorazione.

Nel caso specifico dei materiali in carbonio, l'adsorbimento dell'idrogeno avviene fisicamente sulla superficie dei materiali grazie alla loro alta superficie specifica. La bassa densità di questi materiali li rende particolarmente adatti per applicazioni in cui è necessario ridurre il peso del sistema di stoccaggio. Inoltre, la loro stabilità chimica e termica durante i cicli di assorbimento e rilascio dell'idrogeno contribuisce a migliorarne l'affidabilità operativa, rendendoli ideali per applicazioni su larga scala, anche in ambito industriale. I materiali in carbonio sono abbondanti, economici e facili da lavorare, il che li rende adatti alla produzione in grande quantità.

Nel complesso, l'utilizzo dei materiali microporosi per lo stoccaggio dell'idrogeno rappresenta una delle soluzioni più promettenti per affrontare la crescente domanda di energia pulita e sostenibile. Nonostante i progressi compiuti, rimangono ancora molte sfide da superare per rendere questi materiali pratici e convenienti in ambito industriale, in particolare per quanto riguarda la stabilità a temperatura ambiente, la capacità di stoccaggio e la lavorabilità.