Come funziona l'immagazzinamento solido dell'idrogeno?

Negli ultimi decenni, la ricerca e lo sviluppo nel campo dell'immagazzinamento dell'idrogeno hanno fatto enormi progressi, in particolare nel settore delle leghe metalliche per idrogeno. Queste leghe, che hanno la capacità di "assorbire" l'idrogeno a temperature e pressioni specifiche, sono diventate uno degli strumenti chiave per risolvere le sfide energetiche future, in particolare per i veicoli a celle a combustibile e l'industria chimica dell'idrogeno. Un esempio concreto di questa tecnologia è la cella a combustibile portatile a idrogeno alimentata da idruro di magnesio, sviluppata congiuntamente da Shanghai Jiaotong University e altre aziende. Questo sistema, con una densità energetica che può raggiungere i 600 W·h/kg, è in grado di funzionare in un intervallo di temperature estremo da -40°C a 50°C.

Nel settore automobilistico, le celle a combustibile a idrogeno sono in fase di sviluppo sin dagli anni '80. Un caso pionieristico è stato il van Mercedes-Benz 310 TN, testato a Berlino, che utilizzava una lega di idrogeno AB2 non stechiometrica combinata con un motore a combustione interna alimentato da idrogeno compresso. Successivamente, nel 1996, la Toyota ha utilizzato una lega di Ti-Mn per immagazzinare idrogeno nelle sue vetture a celle a combustibile. Oggi, la capacità di immagazzinamento dell'idrogeno nelle automobili è aumentata, con la Toyota che nel 2005 ha progettato un

Quali sono i metodi più promettenti per lo stoccaggio dell’idrogeno e come stanno evolvendo?

Il tema dello stoccaggio dell'idrogeno è fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie energetiche del futuro, soprattutto in un contesto di crescente interesse per le energie rinnovabili. In questo campo, diversi materiali e metodi di stoccaggio sono stati sviluppati, ognuno con i propri vantaggi e limiti. Tra i più promettenti, troviamo i materiali a base di carbonio, i quadri metallici-organici (MOFs), i polimeri porosi e le zeoliti.

Gli studi sull'adsorbimento dell'idrogeno da parte dei materiali a base di carbonio hanno avuto inizio nel primo novecento e hanno visto un continuo sviluppo. I materiali carboniosi, infatti, offrono una stabilità chimica e termica che li rende particolarmente adatti a processi di assorbimento e rilascio dell’idrogeno, aumentando l'affidabilità dei sistemi di stoccaggio. Inoltre, il carbonio è abbondante, facile da lavorare e relativamente economico, il che lo rende ideale per la produzione industriale su larga scala.

Tuttavia, le condizioni necessarie per uno stoccaggio efficiente tramite adsorbimento fisico sono ancora rigorose, richiedendo ambienti a basse temperature per ottenere una capacità di stoccaggio significativa. Inoltre, l’energia necessaria per mantenere tali condizioni aumenta i costi complessivi del processo di stoccaggio. Per questi motivi, uno degli obiettivi principali nella ricerca di materiali per lo stoccaggio fisico dell’idrogeno è quello di estendere la temperatura di lavoro dei materiali, riducendo al contempo i costi energetici.

Dal punto di vista delle tecnologie di trasporto e stoccaggio dell’idrogeno, ci sono vari approcci, ognuno con i propri punti di forza e debolezza. La tecnologia più matura è quella dello stoccaggio e trasporto dell’idrogeno in cilindri a gas ad alta pressione, che offre una struttura relativamente semplice e una capacità di trasporto di idrogeno su piccola scala. Tuttavia, questo metodo presenta alcuni limiti, tra cui una bassa densità di stoccaggio e problemi di sicurezza. D’altro canto, il trasporto dell’idrogeno attraverso tubazioni è una delle soluzioni più economiche per il trasporto su larga scala, ma richiede un investimento iniziale molto elevato in infrastrutture, rendendo questa opzione meno applicabile in contesti dove l’energia idrogeno non è ancora diffusa.

Il trasporto di idrogeno in forma liquida, invece, presenta il vantaggio di una densità di stoccaggio molto maggiore per unità di volume, il che lo rende adatto per lunghe distanze. Tuttavia, il processo di liquefazione è ad alta intensità energetica, e i costi di stoccaggio sono attualmente molto elevati a causa delle rigorose esigenze di isolamento dei contenitori per mantenere l’idrogeno liquido. Infine, una soluzione interessante, ma ancora in fase di sviluppo, è rappresentata dalla tecnologia di stoccaggio dell’idrogen

Quali sono le caratteristiche fondamentali nella liquefazione e stoccaggio dell'idrogeno liquido?

La preparazione industriale dell'idrogeno liquido implica una serie di processi complessi, dove ciascuna fase è cruciale per garantire un prodotto finale puro, sicuro e con alta efficienza. In particolare, l’idrogeno, che a temperatura ambiente si presenta come un gas, deve essere sottoposto a diversi trattamenti per diventare liquido. La liquefazione dell’idrogeno, che avviene a temperature estremamente basse, comporta sia sfide tecniche che ingegneristiche, soprattutto per quanto riguarda la gestione del calore e l’isolamento del sistema.

Per ottenere idrogeno liquido, è fondamentale ridurre le possibilità di trasferimento di calore dall’ambiente esterno e migliorare la tenuta del sistema. Uno degli aspetti principali è la capacità di conversione dell’idrogeno orto-para, necessaria per ottenere un’idonea separazione delle diverse forme di idrogeno durante il processo di liquefazione. Il ciclo di liquefazione di idrogeno è un processo sofisticato che richiede una combinazione di purificazione, compressione, raffreddamento, espansione e la conversione orto-para, al fine di ottenere idrogeno liquido a pressioni e temperature appropriate.

Al contrario, il ciclo Claude, ideato dall’ingegnere francese Claude nel 1902, utilizza un espansore a pistone per sfruttare l’effetto di espansione adiabatica. In questo caso, l’idrogeno sfrutta la sua energia interna per eseguire lavoro sul sistema, riducendo così la propria temperatura. Rispetto al ciclo Linde-Hampson, il ciclo Claude è più efficiente in quanto non richiede l’uso di azoto liquido o azoto ad alta pressione come refrigerante. Qui, l’idrogeno stesso fornisce una parte del raffreddamento necessario, con l’espansore che riduce la temperatura dell’idrogeno attraverso un processo più efficiente. Il ciclo Claude, che utilizza espansori a turbina, è particolarmente indicato per impianti di liquefazione dell’idrogeno su larga scala, come quelli utilizzati nelle fabbriche commerciali di idrogeno liquido.

I materiali per la costruzione di queste cisterne devono essere altamente resistenti alla temperatura e al calore, spesso includendo compositi rinforzati con fibra di carbonio, che offrono un basso coefficiente di conducibilità termica. Inoltre, l’irraggiamento termico, che non richiede un mezzo per trasferirsi, è un aspetto particolarmente rilevante nelle cisterne di idrogeno liquido, poiché la legge di Stefan-Boltzmann stabilisce che la radiazione termica aumenta esponenzialmente con la differenza di temperatura. Pertanto, nelle cisterne di idrogeno liquido è necessario adottare misure più rigorose rispetto agli altri serbatoi criogenici.

Questi serbatoi possono variare notevolmente nelle dimensioni e nelle forme a seconda dell’applicazione: dai grandi serbatoi sferici per la conservazione in impianti di produzione di idrogeno liquido, ai contenitori per il trasporto su strada, fino ai serbatoi di combustibile per veicoli a idrogeno. La struttura comune, tuttavia, rimane quella del serbatoio a doppia parete con vuoto tra le pareti interne ed esterne, che permette di mantenere il gas in stato liquido per tempi più lunghi.

In sintesi, il processo di liquefazione dell’idrogeno e la sua conservazione sono resi possibili solo attraverso tecnologie avanzate di isolamento termico e metodi di raffreddamento efficaci. Comprendere a fondo i cicli di liquefazione e l’importanza della progettazione dei serbatoi di stoccaggio è essenziale per qualsiasi professionista del settore che desideri operare in modo sicuro ed efficiente nel campo dell’idrogeno liquido.

Quali sono le nuove tecnologie di produzione di idrogeno tramite la reforming del metanolo?

Quando si utilizza ossigeno puro come ossidante, la concentrazione di idrogeno nel prodotto può raggiungere il 66%, ma è necessaria un'unità di separazione dell'aria. Se si utilizza l'aria come ossidante, la concentrazione di idrogeno diminuisce al 41%, e l'elevata presenza di azoto rende più difficile la separazione successiva. Al momento, il sistema catalitico per questa tecnologia non è sufficientemente sviluppato, e la reazione esotermica intensa è difficile da controllare. Il reforming autotermico (ATR) del metanolo per la produzione di idrogeno è un'integrazione della ossidazione parziale del metanolo e della steam reforming del metanolo. La reazione complessiva è lievemente esotermica, con temperature che vanno dai 300 ai 500 °C, e i catalizzatori si basano su ossidi di Cu, Zn e altri metalli. Questo metodo ha una velocità di reazione maggiore e una resa di idrogeno superiore, ma lo sviluppo dei catalizzatori e della tecnologia di controllo del processo è ancora immaturo.

Rispetto alle tecnologie tradizionali di cracking del metanolo per la produzione di idrogeno, le nuove tecnologie di decomposizione del metanolo mirano principalmente a raggiungere reazioni a temperatura e pressione ambiente, migliorare la conversione, ridurre i consumi energetici e ridurre l'uso di catalizzatori. Ad esempio, la tecnologia di produzione di idrogeno tramite elettrolisi del metanolo può produrre idrogeno a temperatura e pressione normali. Rispetto all'elettrolisi dell'acqua, il consumo energetico per l'elettrolisi del metanolo è ridotto, passando da 5,5 kWh/m³ H2 a 1,2 kWh/m³ H2. La produzione di idrogeno è linearmente correlata all'intensità della corrente, mentre il consumo energetico totale è influenzato dalla temperatura di lavoro e dalle proprietà del materiale dell'anodo. Lo sviluppo di materiali anodici adatti potrebbe ridurre notevolmente i costi di produzione di idrogeno.

La tecnologia di cracking del metanolo tramite ultrasuoni utilizza onde ultrasoniche come fattore di induzione per attivare la reazione di cracking del metanolo senza la necessità di condizioni esterne, producendo idrogeno a temperatura ambiente e evitando le alte temperature richieste dai processi tradizionali. Tuttavia, le reazioni chimiche sotto radiazione ultrasonica sono estremamente complesse, e il meccanismo specifico della reazione non è ancora completamente compreso.

Infine, la tecnologia fotocatalitica per la produzione di idrogeno dal metanolo seleziona catalizzatori fotocatalitici adeguati e utilizza sorgenti luminose specifiche per catalizzare la produzione di idrogeno da un sistema metanolo-acqua. La reazione avviene a temperatura ambiente e si trova ancora nella fase di ricerca preliminare.

In sintesi, tra i vari metodi di produzione di idrogeno dal metanolo, il reforming metanolo-acqua è uno dei campi relativamente maturi in termini di sintesi dei catalizzatori e sviluppo del processo, grazie alla sua alta velocità di produzione di idrogeno e alla facile gestione del processo. Da una prospettiva ingegneristica, l'energia richiesta per l'avviamento iniziale del reforming del metanolo può essere soddisfatta tramite l'accoppiamento con piccole batterie di accumulo energetico.

Quali sono le sfide e le potenzialità dei materiali MOF per lo stoccaggio dell'idrogeno?

I materiali a base di MOF (Materiali Organici Metallo-Framework) stanno emergendo come soluzioni promettenti per lo stoccaggio solido dell’idrogeno, grazie alla loro capacità di adsorbire l’idrogeno a pressioni relativamente basse, sfruttando la loro struttura altamente porosa e la grande superficie specifica. Tali caratteristiche li rendono ideali per lo stoccaggio dell’idrogeno in forma solida ad alta densità. Numerosi studi hanno mostrato il potenziale di diversi materiali MOF nella realizzazione di serbatoi di idrogeno ad alta capacità, ma allo stesso tempo esistono sfide significative legate alla loro efficienza e stabilità operativa.

Tra i materiali MOF più studiati, NU-1103 si distingue per una capacità di stoccaggio dell’idrogeno che raggiunge il 12,6% in peso e 43,2 g/L a temperature e pressioni comprese tra 77 K/10 MPa e 160 K/0,5 MPa. Materiali come il NU-1501-Al, che utilizza cluster metalici di Al3O e Fe3O, offrono una buona combinazione tra capacità volumetrica e gravimetrica, raggiungendo capacità di 14% in peso e 46,2 g/L. Tuttavia, l’uso di MOF per stoccare idrogeno a temperature più basse, come 77 K, aumenta notevolmente il consumo energetico, rappresentando un ostacolo per l'adozione di questi materiali in sistemi operanti a temperatura ambiente.

Attualmente, le tecniche di compressione meccanica per aumentare la densità di imballaggio dei MOF, come la granulazione, sono molto utilizzate, ma portano con sé il rischio di compromettere la stabilità dei materiali. Un altro approccio riguarda l’ingegnerizzazione della morfologia cristallina e il controllo della dimensione dei grani, come nel caso del MOF-5, che ha visto un miglioramento della capacità di stoccaggio volumetrico grazie a una maggiore densità di impacchettamento. Questi miglioramenti hanno permesso di superare la capacità di stoccaggio volumetrico dei sistemi tradizionali di idrogeno compresso a 70 MPa, raggiungendo fino a 30,5 g/L in un intervallo di temperatura compreso tra 77 K e 160 K.

Nell’ambito delle applicazioni pratiche per lo stoccaggio dell’idrogeno, sono stati proposti target molto ambiziosi, come quelli stabiliti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che richiedono capacità di stoccaggio gravimetrica e volumetrica di almeno il 6,5% in peso e 50 g/L per il raggio d’azione di veicoli a idrogeno. Tali obiettivi sono difficili da raggiungere utilizzando esclusivamente la compressione, e pertanto la ricerca sui MOF sta cercando soluzioni alternative che possano migliorare sia la capacità di stoccaggio che l’efficienza operativa dei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno. L’innovazione in questo campo si concentrerà su nuovi materiali MOF con superfici specifiche più elevate, maggiore densità di impacchettamento e stabilità strutturale migliorata per garantire prestazioni migliori in condizioni operative reali.

È essenziale che, per progredire verso applicazioni su larga scala, i ricercatori affrontino le sfide ingegneristiche legate alla progettazione di serbatoi di idrogeno sicuri e ad alta efficienza. Le ricerche future dovranno esplorare anche nuove metodologie di densificazione che riducano il rischio di collasso strutturale senza compromettere le proprietà fisiche dei materiali. L’obiettivo finale sarà quello di ottenere soluzioni pratiche, sicure e a basso costo per l’immagazzinamento dell’idrogeno, essenziale per la transizione verso un futuro energetico sostenibile.