Quali sono le sfide e le soluzioni per l'economia circolare dell'ammoniaca nel contesto delle celle a combustibile a idrogeno?

L’ammoniaca rappresenta una risorsa fondamentale nell’economia dell’idrogeno e nella transizione verso fonti energetiche più sostenibili. Nonostante il suo potenziale come mezzo di stoccaggio dell'idrogeno, che si può decomporre per liberare idrogeno puro per essere utilizzato in celle a combustibile, sono numerose le problematiche tecniche ed economiche che ne ostacolano una piena integrazione nel ciclo dell'energia. In particolare, l’ammoniaca è utilizzata come combustibile e per il trasporto di idrogeno grazie alla sua alta densità energetica e alle infrastrutture di trasporto consolidate, ma sono necessari importanti sviluppi tecnologici per migliorare la sua efficienza e minimizzare le emissioni.

Uno degli aspetti cruciali riguarda la decomposizione dell’ammoniaca a bassa temperatura (80–150°C), che è necessaria per ottenere idrogeno puro. Attualmente, l’ammoniaca non può essere utilizzata direttamente nelle celle a combustibile a scambio protonico (PEMFC) a causa dei danni che essa provoca alle membrane di scambio protonico Nafion™. Di conseguenza, è necessario implementare tecnologie che consentano una decomposizione efficiente dell’ammoniaca, separando l’idrogeno con alta purezza per consentirne l’utilizzo nelle celle a combustibile.

Un ulteriore passo avanti nell’economia dell’ammoniaca implica il miglioramento delle tecnologie per la sintesi dell'ammoniaca "verde", che combina azoto atmosferico e acqua per produrre ammoniaca senza l’uso di metano o altre fonti fossili. Le attuali tecnologie di sintesi includono il processo Haber-Bosch, che rimane il metodo più utilizzato, sebbene molto energivoro, richiedendo alte pressioni (20-30 MPa) e temperature (300-500°C). Ogni anno, il processo Haber-Bosch consuma circa l'1-2% dell’energia globale, con un impatto ambientale significativo, generando tra i 400 e i 500 milioni di tonnellate di CO2.

In aggiunta a ciò, è importante considerare che l’integrazione della sintesi dell’ammoniaca con il ciclo dell’idrogeno non può prescindere dall’uso di tecnologie di separazione e purificazione efficienti. La separazione dell’idrogeno, attraverso tecniche avanzate come la separazione con membrane o tecnologie di adsorbimento, è cruciale per ottenere idrogeno di alta purezza che possa essere utilizzato nelle celle a combustibile.

Per superare le limitazioni del processo tradizionale, emergono anche altre tecnologie come la sintesi dell’ammoniaca mediante looping chimico (CLAS). Tra queste, il CLAS basato sull'uso dell’acqua (H2O-CLAS), dell’idrogeno (H2-CLAS) o degli idruri metallici (AH-CLAS) permette di ottenere ammoniaca con un’efficienza energetica maggiore e in condizioni operative più favorevoli, riducendo in molti casi la temperatura richiesta e aumentando la selettività dei prodotti.

Inoltre, l’ammoniaca come fonte di energia richiede l’adozione di tecnologie avanzate di combustione e di gestione termica per garantire la sua sicurezza e stabilità, in particolare quando viene utilizzata direttamente per la generazione di energia in applicazioni industriali. Tali applicazioni potrebbero comprendere turbine a gas o motori a combustione interna, che potrebbero sfruttare l’alta densità energetica dell’ammoniaca.

Riguardo alla sintesi elettrochimica dell’ammoniaca (ECAS), quest’ultima offre vantaggi considerevoli rispetto alla sintesi termochimica tradizionale. L'ECAS permette di attivare il nitrogeno in condizioni più miti, il che apre la strada a una produzione distribuita di ammoniaca in scala ridotta, ideale per ambienti industriali che utilizzano energia rinnovabile. Inoltre, la possibilità di combinare la sintesi dell’ammoniaca con la generazione di energia solare o eolica potrebbe contribuire significativamente a rendere il ciclo dell'ammoniaca ancora più sostenibile.

Infine, la realizzazione di un’economia circolare dell’ammoniaca richiede un cambiamento strutturale nella progettazione delle infrastrutture e una collaborazione tra settori industriali, ricerca e politiche energetiche, per superare le difficoltà tecnologiche e finanziarie attuali. Nonostante le sfide, le opportunità offerte dall’ammoniaca come combustibile a basse emissioni di carbonio sono enormi, se sostenute da innovazioni nel campo della produzione, della purificazione e dell’utilizzo dell’ammoniaca, che possono contribuire a un futuro energetico più pulito e resiliente.

Come viene trasportato l'idrogeno ad alta pressione? Sfide e sviluppi nel settore delle pipeline di idrogeno

Il trasporto dell'idrogeno su lunghe distanze attraverso pipeline ad alta pressione è una delle tecnologie fondamentali per lo sviluppo di una rete energetica a basse emissioni di carbonio. Il processo di trasporto dell’idrogeno presenta diversi aspetti tecnici e sfide che vanno affrontate per garantirne l'efficienza, la sicurezza e la sostenibilità a lungo termine.

Quando si devono collegare pipeline con pressioni di lavoro differenti, vengono installate stazioni di riduzione della pressione, che permettono di abbassare la pressione tramite una valvola di strozzamento per garantire una connessione parallela tra le diverse sezioni della rete.

Per quanto riguarda la rete di trasporto, essa si sviluppa in due segmenti principali: le pipeline a lunga distanza e la rete di distribuzione del gas. Le pipeline a lunga distanza sono caratterizzate da lunghe distanze di trasporto, alta pressione e grandi diametri, mentre le pipeline di distribuzione sono più brevi, con pressioni più basse e diametri più piccoli. L'idrogeno prodotto centralmente viene compresso e trasportato attraverso la pipeline a lunga distanza fino alla stazione di distribuzione del gas, da dove viene poi distribuito ai punti di rifornimento e alle diverse strutture utente.

Un aspetto fondamentale nella gestione del flusso di idrogeno è la possibilità di immagazzinare l'idrogeno in eccesso. Nelle aree di produzione centrale, l’idrogeno in surplus può essere stoccato in formazioni geologiche sotterranee, come strati salini, giacimenti di acqua o gas e altri siti geologici. Questo immagazzinamento è essenziale per affrontare le fluttuazioni stagionali della domanda di idrogeno, una caratteristica che rende l'idrogeno un combustibile particolarmente versatile per la transizione energetica.

Nel frattempo, il settore cinese sta sviluppando la propria rete di trasporto dell'idrogeno. Al momento, la lunghezza totale delle pipeline in fase di progettazione e costruzione è di circa 100 km, ma con progetti in corso che includono la realizzazione di una pipeline lunga 145 km, la più lunga in Cina. Entro il 2030, la Cina prevede di costruire oltre 3.000 km di pipeline per il trasporto dell'idrogeno, sfruttando le infrastrutture esistenti del gas naturale per facilitare questa transizione.

Nonostante i progressi tecnologici, ci sono numerosi ostacoli da superare per rendere il trasporto dell'idrogeno via pipeline più sicuro ed efficiente. Tra questi, la resistenza dell’acciaio alle alte pressioni, la ciclicità delle pressioni e il fenomeno della fragilità da idrogeno, che potrebbero compromettere la durata delle pipeline. Per affrontare queste problematiche, è necessario un approfondimento della ricerca sui materiali e sui processi di trattamento, come la formazione e la trattazione termica, per migliorare la durata e ridurre i costi di manutenzione.

Un altro aspetto critico è il rilevamento delle perdite lungo le pipeline. Le fughe, anche minime, possono portare a gravi incidenti, come incendi ed esplosioni. Nonostante esistano tecnologie mature per il rilevamento delle perdite nelle pipeline di gas naturale, l’applicabilità di queste tecnologie alle pipeline di idrogeno ad alta pressione è ancora un campo di ricerca attivo.

L'approfondimento di questi temi e l'avanzamento delle tecnologie in questi ambiti sono essenziali per rendere il trasporto dell’idrogeno ad alta pressione non solo una realtà sostenibile, ma anche economicamente vantaggiosa per la transizione energetica globale.