Quali sono i vantaggi e le sfide del trasporto e dello stoccaggio dell'idrogeno liquido?

Il trasporto dell'idrogeno liquido su lunghe distanze, sia via terra che via mare, rappresenta una delle soluzioni più promettenti per la gestione della sua distribuzione a livello globale. I camion cisterna per il trasporto di idrogeno liquido hanno una capacità di trasporto singola che varia da 2,5 a 3,3 tonnellate, ovvero 6-8 volte superiore a quella di un trailer a tubi da 20 MPa. Ciò comporta una riduzione del peso del veicolo di circa il 30%, permettendo al trasporto di idrogeno liquido di coprire distanze superiori ai 1000 km. Questo tipo di trasporto diventa particolarmente interessante quando si tratta di garantire l'approvvigionamento delle stazioni di rifornimento di idrogeno, che richiedono grandi volumi di combustibile.

Il sistema di pompa per idrogeno liquido risulta essere molto più efficiente rispetto ai compressori tradizionali per gas. L'energia necessaria per il rifornimento di veicoli ad alta pressione (70 MPa) non supera i 2 kWh/kg, vantaggio che rende l'idrogeno liquido particolarmente economico rispetto ad altre modalità di stoccaggio e distribuzione.

Per veicoli pesanti a lungo raggio, come i camion, l'uso dell'idrogeno liquido è particolarmente vantaggioso. Un camion a idrogeno necessita di un serbatoio di stoccaggio che possa contenere almeno 50 kg di idrogeno, e mentre i serbatoi ad alta pressione (anche quelli da 70 MPa) richiedono l'uso di 5-8 serbatoi voluminosi da 250 litri, i serbatoi per idrogeno liquido necessitano di un'unica cisterna da 0,8–1,3 m³. Questo tipo di sistema offre densità di volume e peso superiori rispetto ai serbatoi ad alta pressione, riducendo significativamente la quantità di spazio e peso necessari per l'immagazzinamento del combustibile.

L'idrogeno liquido, rispetto all'idrogeno compresso ad alta pressione, offre un'altra importante caratteristica: la qualità del combustibile. Quando l'idrogeno liquido viene vaporizzato, tutte le impurità, tranne l'elio, si solidificano e si separano, consentendo di ottenere idrogeno ultrapurificato. Questa purezza è mantenuta lungo tutta la catena di approvvigionamento, dal processo di liquefazione fino all'ingresso nell'involucro della pila a combustibile, un fattore che contribuisce alla longevità e alle alte performance dei veicoli a celle a combustibile.

Oltre allo stoccaggio e al trasporto tradizionale dell'idrogeno liquido, esistono tecnologie emergenti che utilizzano composti liquidi ricchi di idrogeno per risolvere le problematiche legate alla capacità di stoccaggio, alla sicurezza e alla convenienza nel trasporto. Tra queste, i portatori organici di idrogeno liquido (LOHC), l'ammoniaca liquida e il metanolo sono i principali candidati. Queste tecnologie si basano su reazioni chimiche di assorbimento e rilascio dell'idrogeno, che permettono di immagazzinare grandi quantità di idrogeno in forma liquida, a temperatura ambiente, migliorando la sicurezza e la praticità del trasporto.

I LOHC, come il benzene e il toluene, permettono di immagazzinare l'idrogeno con una densità di stoccaggio elevata, ma la difficoltà di assorbire e rilasciare idrogeno, nonché le reazioni collaterali e la necessità di equipaggiamento aggiuntivo, rappresentano ancora una sfida. Analogamente, l'ammoniaca liquida, con una densità di idrogeno di massa del 17,6%, offre un vantaggio in termini di costi di trasporto e di infrastruttura già esistente, ma solleva questioni legate alla decomposizione dell'ammoniaca per produrre idrogeno e alla necessità di sviluppare tecnologie di sintesi e decomposizione più efficienti.

L'applicazione di questi sistemi potrebbe svolgere un ruolo cruciale nell'integrazione dell'idrogeno in una "economia dell'idrogeno", dove l'idrogeno non è solo un combustibile, ma una risorsa in grado di essere facilmente trasportata e distribuita globalmente, risolvendo così il problema della disuguaglianza nella distribuzione dell'energia tra le diverse regioni.

Quali sono le tecnologie più avanzate per lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno?

Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno liquido coinvolgono principalmente due approcci. Il primo prevede il raffreddamento dell'idrogeno a −253°C per liquefarlo, consentendone così l'immagazzinamento e il trasporto in forma liquida. Il secondo approccio consiste nello stoccaggio dell'idrogeno in composti liquidi ricchi di idrogeno, come l'ammoniaca liquida, il metanolo, il toluene, e altri composti organici. In questo caso, l'idrogeno viene immagazzinato tramite idrogenazione catalitica e rilasciato successivamente tramite deidrogenazione.

D'altra parte, lo stoccaggio dell'idrogeno in forma solida è una tecnologia che prevede l'uso di materiali solidi per fissare l'idrogeno. Questi materiali possono essere leghe metalliche, idruri metallici (come idruri basati su terre rare, titanio, magnesio e vanadio), idruri complessi (come LiAlH4, NaBH4), ammine-borani e derivati (come NH3BH3, LiNH2BH3), nonché materiali a base di carbonio come il grafene e i nanotubi. Questi materiali consentono di immagazzinare idrogeno in modo sicuro e ad alta densità, ma la loro applicazione su larga scala è ancora nelle fasi iniziali di sviluppo industriale.

Il trasporto dell'idrogeno ad alta pressione è, al momento, la soluzione più matura e comunemente adottata. Questa tecnologia prevede l’immagazzinamento dell’idrogeno in forma gassosa, ma ad alta densità, all’interno di recipienti sotto pressione. L’idrogeno può essere stoccato in cilindri di acciaio senza saldature o in serbatoi multi-strato, progettati per sopportare pressioni comprese tra 35 e 70 MPa. Rispetto ad altre soluzioni, questa tecnologia è relativamente economica e offre vantaggi in termini di velocità di carica e scarica. Durante il processo di stoccaggio, trasporto e utilizzo, l’idrogeno non subisce trasformazioni di fase, riducendo così le perdite energetiche e minimizzando il numero di dispositivi necessari.

Lo stoccaggio in contenitori ad alta pressione è suddiviso in due categorie principali: stoccaggio stazionario e stoccaggio trasportabile. Lo stoccaggio stazionario viene utilizzato principalmente nelle stazioni di rifornimento, dove grandi volumi di idrogeno vengono immagazzinati in contenitori progettati per essere stabili e sicuri, con una capacità che può variare da 1 a 20 m³. I contenitori stazionari, come quelli progettati per rifornire veicoli, vengono sviluppati per resistere a pressioni fino a 103 MPa. A differenza dello stoccaggio stazionario, lo stoccaggio trasportabile viene utilizzato per il trasporto dell’idrogeno da un luogo di produzione a una stazione di rifornimento o direttamente al punto di consumo. Tra le soluzioni più comuni ci sono i rimorchi a tubo, che consistono in cilindri ad alta pressione disposti in serie per garantire una distribuzione sicura dell'idrogeno.

Nel contesto globale, la tecnologia di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno ad alta pressione sta continuando a evolversi con l’obiettivo di migliorare l'efficienza energetica e ridurre i costi. Oggi, gli approcci più promettenti per il futuro includono il perfezionamento delle leghe metalliche per lo stoccaggio solido e l’ottimizzazione dei sistemi di trasporto liquido e gassoso, cercando di ridurre al minimo le perdite energetiche, migliorare l’affidabilità e soddisfare la crescente domanda di idrogeno in vari settori, tra cui l’automotive e la produzione industriale.

Qual è il potenziale di stoccaggio dell'idrogeno nelle borani di ammoniaca e nei loro derivati?

Il sistema Mg(NH2)2-2LiH ha suscitato notevole interesse nel campo dello stoccaggio dell'idrogeno, grazie al suo potenziale teorico di produzione di idrogeno a bassa pressione, intorno a 0.1 MPa, a temperature comprese tra 75 e 85 °C. Questo sistema, sebbene promettente per applicazioni a bordo, richiede ulteriori studi sul comportamento della concentrazione di ammoniaca durante il processo di rilascio dell'idrogeno, sulla stabilità ciclica dell'assorbimento e del rilascio dell'idrogeno, e sugli effetti dell'umidità e dell'ossigeno sulle sue prestazioni di stoccaggio. È stato osservato che la concentrazione di ammoniaca prodotta aumenta con la temperatura di lavoro, con valori più elevati ottenuti a temperature superiori.

Inoltre, nonostante i calcoli termodinamici suggeriscano che il sistema Mg(NH2)2-2LiH possa raggiungere una pressione di idrogeno bilanciata a 0.1 MPa a 80 °C, in esperimenti reali il rilascio dell'idrogeno avviene a temperature superiori a 140 °C, con un tasso di rilascio significativo che richiede temperature superiori ai 200 °C. Questi dati evidenziano la discrepanza tra la previsione teorica e i risultati sperimentali, indicando che per applicazioni pratiche occorre migliorare la gestione della temperatura e della stabilità del materiale.

Il sistema Mg(NH2)2-2LiH è stato testato per un numero significativo di cicli di assorbimento e rilascio dell'idrogeno, mostrando una diminuzione della capacità di stoccaggio di circa il 25% dopo 270 cicli. Tuttavia, quando il materiale è stato esposto ad aria contenente vapore acqueo saturo, la capacità e le prestazioni cinetiche sono rimaste quasi invarianti dopo 16 cicli, suggerendo che l'umidità e l'ossigeno abbiano effetti minimi sul comportamento di stoccaggio dell'idrogeno di questo materiale.

Nonostante la stabilità intrinseca del borano di ammoniaca, la sua decomposizione richiede temperature elevate e l'uso di catalizzatori per ottenere un'efficace produzione di idrogeno. La reazione di idrolisi di NH3BH3 è relativamente semplice, ma avviene lentamente in assenza di catalizzatori, il che richiede ulteriori ricerche sui catalizzatori appropriati. I catalizzatori a base di metalli preziosi come Pt, Rh e Pd mostrano una buona attività catalitica, con Pt che si distingue per la sua elevata performance e resistenza alla disattivazione. Tuttavia, la scarsità e il costo di questi metalli ne limitano l'applicabilità su larga scala.

Inoltre, l'uso di supporti mesoporosi o MOF per i catalizzatori offre vantaggi significativi. I MOF, in particolare, grazie alla loro struttura altamente ordinata e all'elevata area superficiale, migliorano l'interazione tra il catalizzatore e le molecole di borano di ammoniaca, aumentando l'attività catalitica e la stabilità del sistema nel tempo.

L'efficienza dei catalizzatori è cruciale per il successo del processo di idrolisi e, quindi, per l'efficacia complessiva delle tecnologie di stoccaggio dell'idrogeno. La ricerca continua nel miglioramento dei materiali catalitici, combinando le proprietà dei metalli preziosi e non preziosi, e l'uso di supporti avanzati come i MOF, è fondamentale per la realizzazione di sistemi di stoccaggio dell'idrogeno più efficienti, economici e facilmente scalabili.