Come funziona la tecnologia di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno gassoso ad alta pressione?

La tecnologia di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno gassoso ad alta pressione è diventata una delle soluzioni più utilizzate e promettenti per la mobilità sostenibile e per il settore energetico. I serbatoi a pressione elevata, in particolare i serbatoi di tipo IV, sono i principali contenitori di stoccaggio dell'idrogeno utilizzati internazionalmente. Un esempio emblematico di questa tecnologia è rappresentato dalla Toyota Mirai di seconda generazione, un veicolo a celle a combustibile alimentato a idrogeno. Nel 2021, la Toyota Mirai ha battuto il record mondiale Guinness percorrendo 1360 km con un pieno di idrogeno, dimostrando le potenzialità delle batterie ad idrogeno e dei sistemi di stoccaggio associati.

La differenza di livello tecnologico tra la Cina e le realtà internazionali è ancora significativa, ma con un impegno costante nella ricerca e sviluppo, è prevedibile che la Cina possa raggiungere, in un futuro prossimo, livelli di competitività comparabili con quelli delle aziende leader globali.

Esistono due principali configurazioni di rimorchi a tubo: i rimorchi a tubo a telaio e i rimorchi a tubo legati. I rimorchi a tubo a telaio sono la configurazione più utilizzata, mentre i rimorchi a tubo legati, più leggeri e con maggiore efficienza nel trasporto, stanno guadagnando terreno. La sicurezza è una preoccupazione fondamentale, dato che l'idrogeno è altamente infiammabile ed esplosivo, motivo per cui la Cina ha implementato rigorose normative sui materiali, sul design, sulla produzione e sul trasporto dei rimorchi a tubo.

Per quanto riguarda la produzione dei cilindri utilizzati nei rimorchi, le normative cinesi richiedono una serie di test rigorosi per garantire la loro sicurezza, qualità e resistenza. I cilindri devono essere in acciaio senza saldature di alta qualità, con un trattamento superficiale accurato per garantire che l'interno sia privo di particelle, imperfezioni e impurità. In particolare, per l'immagazzinamento di idrogeno ad alta purezza, i cilindri devono essere sottoposti a processi di levigatura e pulizia, per assicurare che la qualità del gas non sia compromessa.

Nel contesto delle stazioni di rifornimento di idrogeno, la tecnologia di stoccaggio e compressione ad alta pressione è altrettanto cruciale. Le stazioni di rifornimento, destinate ad alimentare i veicoli a celle a combustibile, utilizzano sistemi di stoccaggio di idrogeno in fase gassosa a alta pressione, che possono immagazzinare grandi quantità di idrogeno per la distribuzione. I sistemi di stoccaggio stazionari sono essenziali non solo per il rifornimento dei veicoli, ma anche per applicazioni di stoccaggio energetico distribuito e per il supporto di reti di energia a idrogeno.

È importante sottolineare che la transizione verso una società basata sull'idrogeno, alimentata principalmente da tecnologie di stoccaggio e trasporto ad alta pressione, non si limita solo a una questione tecnica. La sua realizzazione richiede un'infrastruttura complessa che comprenda la produzione, il trasporto e la distribuzione dell'idrogeno in modo sicuro ed economico. Per i veicoli a idrogeno, ad esempio, la sfida non riguarda solo la disponibilità di serbatoi sicuri ed efficienti, ma anche l'adozione di una rete di stazioni di rifornimento adeguata a soddisfare le necessità di ricarica in modo pratico e conveniente per gli utenti finali.

Quali sono le applicazioni tecnologiche per il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno gassoso ad alta pressione?

I rimorchi a lunga tubazione di tipo bundle e di tipo frame, che rappresentano le configurazioni più comuni in Cina per il trasporto dell'idrogeno, sono progettati per operare con pressioni elevate, intorno ai 20 MPa. Un tipico rimorchio a lunga tubazione ad alta pressione da 20 MPa può contenere un volume di idrogeno di circa 3750–3920 m³, equivalente a circa 334–350 kg di idrogeno. Tuttavia, questi sistemi di trasporto presentano una densità di stoccaggio dell'idrogeno relativamente bassa, circa 1-2%, e sono pertanto adatti principalmente per il trasporto su breve distanza e in piccole quantità, con costi di trasporto che aumentano significativamente con la distanza. La pressurizzazione dell'idrogeno a 20 MPa è una soluzione che ha il vantaggio di ridurre i costi iniziali di produzione, ma la sua efficienza in termini di capacità di trasporto è limitata.

Paesi come Giappone, Francia e Regno Unito sono stati pionieri nella produzione di serbatoi di tipo IV da 70 MPa, con Toyota che ha lanciato la prima auto a celle a combustibile, la Mirai, nel 2014, dotata di una capacità di autonomia fino a 550 km. In Cina, il miglioramento tecnologico si sta concentrando sullo sviluppo di serbatoi di idrogeno ad alta pressione di tipo IV, con una pressione nominale di 70 MPa, che promette di offrire una maggiore capacità di stoccaggio e una maggiore efficienza nelle applicazioni automobilistiche. La standardizzazione dei serbatoi di tipo III per veicoli è un passo fondamentale per una diffusione più ampia di veicoli alimentati a idrogeno, anche se il costo di produzione di serbatoi a pressioni superiori rimane un ostacolo significativo.

Oltre all'utilizzo di serbatoi a bordo dei veicoli, i sistemi di stoccaggio ad alta pressione vengono impiegati anche nelle stazioni di rifornimento di idrogeno e nei sistemi di stoccaggio energetico. In Cina, la maggior parte delle stazioni di rifornimento in costruzione utilizza stoccaggio a 35 MPa, mentre quelle destinate a veicoli con serbatoi da 70 MPa sono progettate per resistere a pressioni superiori, fino a 99 MPa. I serbatoi di stoccaggio fissi per stazioni di rifornimento sono progettati con strutture in acciaio rinforzato o con liner in fibra di carbonio avvolta, che migliorano la resistenza e l'efficienza del sistema.

Per quanto riguarda la progettazione dei serbatoi, la tecnologia si sta evolvendo rapidamente. I serbatoi a lunga tubazione, i serbatoi ad alta pressione per veicoli e i serbatoi fissi per stazioni di rifornimento si basano su materiali avanzati, come l'acciaio e il carbonio, e su tecnologie innovative per migliorare la sicurezza e l'efficienza del trasporto e dello stoccaggio dell'idrogeno. Tuttavia, il costo di produzione e le difficoltà tecniche legate alla produzione di serbatoi per alte pressioni restano sfide importanti che necessitano di ulteriori sviluppi.

In generale, l'industria dei serbatoi di idrogeno è destinata a crescere ulteriormente, con l'obiettivo di ridurre i costi e migliorare la sicurezza. Le prossime innovazioni potrebbero includere materiali ancora più leggeri e resistenti, oltre a tecnologie per aumentare l'efficienza energetica e la capacità di stoccaggio. L'evoluzione della tecnologia dei serbatoi è essenziale non solo per il miglioramento delle prestazioni dei veicoli a idrogeno, ma anche per il potenziale uso dell'idrogeno come fonte di energia alternativa, sostenibile e pulita.