L'idrogeno è un elemento chimico di grande valore che trova impiego in molteplici settori. È utilizzato, ad esempio, nelle celle a combustibile e nelle centrali elettriche per la produzione di energia, oltre a svolgere un ruolo fondamentale nei sistemi di riscaldamento basati su caldaie. La sua applicazione si estende anche ad altri settori industriali come la raffinazione del petrolio, la riformatura dell'acciaio, il trattamento dei materiali, la lavorazione degli alimenti e la produzione di fertilizzanti. Tuttavia, l'idrogeno non si limita a queste applicazioni dirette: può combinarsi con altri composti chimici dando origine a una serie di derivati, che comprendono sostanze come l'ammoniaca e gli elettrocarburanti, quali il metano e il metanolo sintetici.

Un aspetto fondamentale da comprendere quando si parla di derivati dell'idrogeno è il loro potenziale nella transizione energetica e nella decarbonizzazione di vari settori industriali. I derivati dell'idrogeno, infatti, non solo possono sostituire i combustibili fossili in molteplici applicazioni, ma anche fungere da vettori di energia in grado di immagazzinare e trasportare idrogeno in forme più pratiche e facilmente gestibili.

Tra questi, l'ammoniaca verde ha acquisito una notevole attenzione grazie al suo elevato potenziale nella fase di stoccaggio, trasporto e utilizzo dell'idrogeno. L'ammoniaca verde, prodotta combinando idrogeno verde con azoto, offre una densità energetica volumetrica molto superiore a quella dell'idrogeno puro. Mentre l'idrogeno ha una densità energetica di circa 0.0107 MJ/L, l'ammoniaca verde raggiunge valori tra 12.92 e 14.4 MJ/L, rendendola una scelta più conveniente per il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno. Un altro aspetto vantaggioso dell'ammoniaca è la sua lunga storia di utilizzo: è impiegata sin dagli anni 1850 per scopi di refrigerazione e, pertanto, è una sostanza ben consolidata nell'industria, con un'infrastruttura globale già sviluppata. Attualmente, l'ammoniaca è largamente utilizzata come materia prima per la produzione di fertilizzanti, ma il suo utilizzo si sta espandendo in altri settori, in particolare nel trasporto marittimo, dove potrebbe svolgere un ruolo cruciale nel raggiungimento degli obiettivi di emissioni nette zero previsti dall'International Energy Agency (IEA) per il 2050.

La produzione di ammoniaca verde avviene attraverso il processo Haber-Bosch, una tecnologia sviluppata all'inizio del XX secolo. In questo processo, l'idrogeno verde viene combinato con azoto per produrre ammoniaca. Il processo, che ha rivoluzionato l'industria agricola migliorando la produzione alimentare globale, si basa sulla fissazione dell'azoto atmosferico (N2) mediante una reazione con l'idrogeno (H2), sfruttando un catalizzatore metallico. La reazione fondamentale che governa la produzione di ammoniaca è la seguente:

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

Il processo è altamente esigente in termini di condizioni operative, con temperature che vanno da 450°C a 550°C e pressioni comprese tra 250 e 350 bar. La reazione è esotermica e reversibile, il che significa che il raggiungimento di un equilibrio ottimale dipende da vari parametri, tra cui la temperatura, la pressione e la qualità del catalizzatore utilizzato. Sebbene la reazione sia favorevole a basse temperature, l'attivazione ad alta energia rende il processo inefficiente a temperature più basse. L'utilizzo di catalizzatori come il ferro finemente suddiviso è fondamentale per accelerare la reazione e garantire una produzione industriale di ammoniaca sostenibile e su larga scala.

L'ammoniaca verde, dunque, si presenta come una delle soluzioni più promettenti nel panorama della decarbonizzazione, non solo per la sua capacità di fungere da vettore energetico, ma anche per il suo potenziale impiego in settori cruciali come il trasporto marittimo, che rappresenta una delle sfide più complesse nella riduzione delle emissioni di gas serra. Inoltre, la possibilità di utilizzare l'infrastruttura esistente per il trasporto e lo stoccaggio di ammoniaca apre nuove prospettive per la creazione di una rete globale di energia sostenibile.

Un aspetto importante da considerare è che l'integrazione dell'ammoniaca verde nella rete energetica globale richiederà anche lo sviluppo di tecnologie avanzate per la produzione, lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno, nonché un aggiornamento delle normative e delle infrastrutture esistenti. L'evoluzione delle tecnologie di elettrolisi, che permettono la produzione di idrogeno verde, e il miglioramento dei processi di compressione e stoccaggio dell'idrogeno sono fattori determinanti per il successo della transizione verso un'economia basata sull'idrogeno.

L'ammoniaca verde, pur essendo una delle soluzioni più avanzate in questo campo, è solo una parte di un panorama molto più ampio di opportunità offerte dai derivati dell'idrogeno. In futuro, l'esplorazione di nuovi elettrocarburanti e la continua ricerca in ambito tecnologico permetteranno di ampliare ulteriormente le applicazioni dell'idrogeno, contribuendo in modo significativo alla riduzione delle emissioni globali e alla promozione di un'economia energetica più pulita e sostenibile.

Quali sono i vantaggi dei diversi tipi di serbatoi di stoccaggio per idrogeno?

I serbatoi per lo stoccaggio di idrogeno si differenziano per il materiale di costruzione, la capacità di resistenza alla pressione, la densità di stoccaggio e il costo. Le diverse tipologie di serbatoi, che vanno dai serbatoi di tipo I a quelli di tipo V, sono progettate per applicazioni diverse, variando in termini di peso, costo e capacità di immagazzinamento dell'idrogeno. Comprendere le differenze tra questi tipi di serbatoi è fondamentale per scegliere il più adatto in base alle specifiche esigenze di stoccaggio, come ad esempio il tipo di utilizzo e la quantità di idrogeno da immagazzinare.

I serbatoi di tipo I sono generalmente costituiti da acciaio e sono in grado di resistere a pressioni fino a 200 bar. La loro densità volumetrica è relativamente alta, ma, al contrario, hanno una densità di stoccaggio piuttosto bassa, pari a circa l'1% in peso. Sebbene siano i serbatoi più economici sul mercato, con un prezzo di circa 83 dollari per chilogrammo, sono limitati nelle applicazioni industriali mobili e non sono adatti per veicoli che necessitano di un maggiore stoccaggio in volume e in peso.

I serbatoi di tipo II, rispetto ai tipo I, sono realizzati con una combinazione di acciaio e materiali compositi, e possono resistere a pressioni superiori, fino a 275 bar. Hanno una densità volumetrica di circa 0.92 kg/L e una densità di stoccaggio tra l'1 e il 2% in peso. Questi serbatoi, pur pesando il 30%–40% in meno rispetto ai tipo I, sono più costosi, arrivando a 124.5 dollari al chilogrammo. Tuttavia, sono considerati una buona scelta per applicazioni industriali stazionarie, dove lo spazio per lo stoccaggio non è così limitato, ma dove la capacità di immagazzinamento dell'idrogeno è fondamentale.

I serbatoi di tipo III sono progettati per resistere a pressioni molto elevate, comprese tra 350 e 700 bar, e sono costituiti da materiali compositi come fibra di carbonio o vetro. La loro densità volumetrica si attesta tra 0.30 e 0.45 kg/L, circa la metà dei serbatoi di tipo II. Sebbene possiedano una densità di stoccaggio più alta, che può arrivare al 3.5% in peso, il costo è significativamente maggiore, raggiungendo circa 249 dollari per chilogrammo. Grazie alla loro capacità di stoccaggio maggiore, sono particolarmente indicati per applicazioni di idrogeno nei veicoli, dove è essenziale massimizzare l'efficienza dello stoccaggio in spazi ridotti.

I serbatoi di tipo IV, infine, sono i più leggeri e resistenti tra quelli finora disponibili, grazie alla combinazione di un rivestimento in polietilene ad alta densità (HDPE) e una fibra di carbonio. La loro densità volumetrica è di circa 0.30 kg/L, simile a quella dei tipo III, ma la capacità di stoccaggio può arrivare al 5.5% in peso. Questi serbatoi sono in grado di resistere a pressioni fino a 1000 bar e sono più adatti per applicazioni in veicoli grazie alla loro leggerezza e alta capacità di stoccaggio. Il costo di circa 249 dollari per chilogrammo è comparabile a quello dei tipo III, ma la loro superiorità in termini di leggerezza e capacità di immagazzinamento li rende una scelta ideale per il trasporto di idrogeno.

I serbatoi di tipo V, attualmente in fase di sviluppo, sono progettati per essere realizzati interamente in fibra di carbonio, senza un rivestimento interno. Questi serbatoi promettono una riduzione del peso del 20%–30% rispetto ai tipo IV, mantenendo la capacità di resistere a pressioni teoriche fino a 1000 bar. Sebbene non siano ancora disponibili sul mercato, i serbatoi di tipo V rappresentano una potenziale evoluzione tecnologica significativa, poiché potrebbero portare a una maggiore densità di stoccaggio sia volumetrica che gravitazionale.

Quando si considera la scelta di un serbatoio per lo stoccaggio dell'idrogeno, è fondamentale non solo conoscere le caratteristiche fisiche dei serbatoi stessi, ma anche comprendere le implicazioni delle leggi fisiche che governano il comportamento dei gas. La legge dei gas ideali, che lega la pressione, il volume e la temperatura di un gas, è un concetto essenziale per calcolare il volume e la massa dell'idrogeno stoccato. Utilizzando formule appropriate, è possibile determinare quanta massa di idrogeno può essere stoccata in un determinato volume, quale serbatoio è il più adatto a un'applicazione specifica e quanto costerà l'installazione in base alla densità di stoccaggio e al costo per chilogrammo del serbatoio.

La selezione del serbatoio giusto non si limita però alla mera comparazione delle proprietà fisiche. Occorre anche considerare l'equilibrio tra il costo iniziale e l'efficienza operativa, nonché le potenzialità di sviluppo tecnologico dei serbatoi di nuova generazione. L'ottimizzazione del costo di stoccaggio per le applicazioni di idrogeno dipenderà da una combinazione di fattori, tra cui la pressione richiesta, il volume disponibile, e la durata della vita operativa del serbatoio.

Come funzionano le celle a combustibile polimeriche e alcaline: un'analisi delle applicazioni e delle sfide tecniche

Le celle a combustibile (FC) sono dispositivi elettrochimici che convertono direttamente l'energia chimica del combustibile in energia elettrica, senza passare per il processo di combustione. Questo processo offre numerosi vantaggi, tra cui un'efficienza superiore e un impatto ambientale ridotto rispetto ai tradizionali motori a combustione interna. Le celle a combustibile polimeriche (PEMFC) e le celle a combustibile alcaline (AFC) sono tra i tipi più studiati e applicati, ognuna con caratteristiche distintive e applicazioni specifiche.

Nel caso delle celle a combustibile polimeriche (PEMFC), l'elettrolita è una membrana polimerica a scambio ionico che consente una rapida conduzione di protoni dall'anodo al catodo, impedendo al contempo il passaggio di elettroni e dei gas reagenti. Il processo avviene a temperature relativamente basse (60°C–100°C), che consente un avvio rapido, ideale per applicazioni che richiedono una generazione rapida di energia. All'anodo, il gas idrogeno (H₂) viene scisso in protoni (H⁺) ed elettroni (e−), con l'aiuto di un catalizzatore di platino. I protoni attraversano la membrana polimerica, mentre gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno per generare una corrente elettrica. Al catodo, l'ossigeno (O₂) reagisce con i protoni e gli elettroni, producendo acqua (H₂O). Questo processo elettrochimico avviene senza emettere altri sottoprodotti se non acqua, rendendo le PEMFC particolarmente ecologiche.

Le PEMFC sono adatte a una vasta gamma di applicazioni, tra cui il trasporto e le applicazioni mobili, grazie alla loro capacità di generare potenza rapidamente e alla loro progettazione compatta e leggera. Tuttavia, non sono prive di sfide. La principale difficoltà risiede nella gestione dell'umidità, poiché la membrana polimerica tende a seccarsi, riducendo l'efficienza del sistema. Inoltre, i costi elevati dei catalizzatori di platino sono un ostacolo significativo per una produzione su larga scala. Le ricerche si concentrano ora sulla ricerca di membrane rinforzate e sull'utilizzo di leghe di platino o catalizzatori non nobili per ridurre i costi e migliorare la durabilità delle celle a combustibile polimeriche.

Le celle a combustibile alcaline (AFC), d'altra parte, utilizzano un elettrolita alcalino, tipicamente una soluzione concentrata di idrossido di potassio (KOH) in acqua, per facilitare la conduzione degli ioni dall'anodo al catodo. Il funzionamento delle AFC è simile a quello delle PEMFC, ma con differenze significative nell'elettrolita e nel catalizzatore. Al catodo, l'ossigeno (O₂) reagisce con l'acqua (H₂O) e gli elettroni per formare ioni idrossido (OH−), che migrano verso l'anodo dove reagiscono con l'idrogeno per produrre acqua ed elettroni. Gli elettroni, come nelle PEMFC, viaggiano attraverso un circuito esterno per fornire potenza elettrica. Le AFC operano a temperature relativamente basse (60°C–90°C), consentendo un avvio rapido e un'alta efficienza elettrica.

Le celle a combustibile alcaline sono particolarmente vantaggiose grazie alla loro elevata efficienza e alla riduzione dei costi associati all'uso di metalli nobili, come il platino. Tuttavia, anche le AFC presentano sfide significative. La principale difficoltà è la sensibilità dell'elettrolita alcalino alla contaminazione da anidride carbonica (CO₂), che può formare ioni carbonato (CO₃²⁻) che compromettono la conduttività ionica e riducono le prestazioni nel tempo. Inoltre, le AFC sono vulnerabili sia al sovraffollamento d'acqua, che può ridurre la diffusione dei gas e accelerare il degrado degli elettrodi, sia all'essiccamento dell'elettrolita, che compromette la conduttività degli ioni idrossido e abbassa l'efficienza complessiva.

Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno esplorando nuove soluzioni, come elettroliti resistenti al carbonato e sistemi avanzati di rimozione dell'anidride carbonica, per garantire una fornitura di idrogeno e ossigeno ad alta purezza. Inoltre, vengono sviluppate tecniche di gestione dell'acqua più precise per prevenire i problemi legati al sovraffollamento e all'essiccamento.

Nel caso delle celle a combustibile a acido fosforico (PAFC), l'elettrolita è un acido fosforico liquido (H₃PO₄) che facilita la conduzione ionica dall'anodo al catodo, impedendo il passaggio di elettroni e gas reagenti. Come nelle PEMFC e nelle AFC, il gas idrogeno all'anodo viene scisso in protoni ed elettroni, ma il processo avviene a temperature più elevate (150°C–250°C), con l'acido fosforico che offre una buona stabilità a queste temperature più elevate. Questo tipo di cella a combustibile è adatto principalmente per applicazioni stazionarie, come la generazione di energia su larga scala, ma ha l'inconveniente di una minore efficienza rispetto ad altri tipi di celle, come le AFC.

Per quanto riguarda le prospettive future, è importante sottolineare che, sebbene le celle a combustibile rappresentino una tecnologia promettente per una varietà di applicazioni, il loro successo dipenderà dalla risoluzione di sfide tecniche, come la gestione dei catalizzatori, l'efficienza del sistema e i costi di produzione. La ricerca continua in vari ambiti, tra cui materiali avanzati per elettroliti e catalizzatori, tecniche di gestione dell'acqua e miglioramenti nei processi di produzione, al fine di rendere queste tecnologie più accessibili e praticabili per le applicazioni quotidiane. Con l'evoluzione di questi sistemi, è probabile che le celle a combustibile diventino una parte cruciale della transizione verso un futuro energetico più sostenibile.

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