Il serbatoio per l'immagazzinamento dell'idrogeno liquido è composto da una serie di strutture e materiali altamente specializzati, pensati per mantenere le caratteristiche fondamentali del liquido a temperature estremamente basse. Questi serbatoi si suddividono principalmente in tre componenti principali: la fodera interna, il serbatoio esterno e la struttura di supporto che li separa. La fodera interna è progettata per contenere l'idrogeno liquido e il suo gas evaporato. Il serbatoio esterno, invece, offre un ambiente di vuoto chiuso per la fodera interna, mentre la struttura di supporto tra la fodera interna e il serbatoio esterno mantiene la stabilità relativa della posizione della fodera.

Nel vuoto tra la fodera interna e il serbatoio esterno, è necessario riempire con materiali isolanti ad alta efficienza, come quelli multilayer ad alto vuoto, che servono a ridurre al minimo la conduzione del calore attraverso il vuoto interposto. Questa configurazione è essenziale per evitare che il calore esterno influenzi negativamente la temperatura dell'idrogeno liquido, che deve rimanere estremamente bassa per evitare l'evaporazione. La presenza di un materiale isolante ad alta efficienza garantisce che la temperatura interna rimanga stabile anche in ambienti circostanti con ampie fluttuazioni termiche.

Il sistema di condotte e accessori per il serbatoio di idrogeno liquido è altrettanto critico per la sua funzionalità. Le condutture principali, come quelle per il riempimento, il drenaggio, il pompaggio e il ritorno del gas, sono tutte progettate per gestire le temperature estremamente basse a contatto con l'idrogeno liquido. La costruzione di questi sistemi prevede l'uso di materiali resistenti a basse temperature e all'infragilimento da idrogeno, come l'acciaio inossidabile austentitico. Inoltre, la tenuta delle giunzioni saldate è di fondamentale importanza, poiché anche piccole perdite possono compromettere il vuoto interposto e, di conseguenza, l'efficacia dell'isolamento.

Quando si progettano serbatoi per l'immagazzinamento di idrogeno liquido, è necessario prendere in considerazione non solo la resistenza dei materiali alle basse temperature, ma anche il loro coefficiente di espansione. Sebbene la produzione della fodera interna e delle condotte avvenga a temperatura ambiente, le dimensioni di questi componenti subiscono una contrazione significativa quando vengono esposti alle temperature operative del serbatoio. Di conseguenza, la progettazione delle strutture di supporto deve considerare queste variazioni dimensionali per evitare danni durante l'uso.

Oltre ai materiali strutturali e alle condotte, l'isolamento del serbatoio è un altro aspetto cruciale per il mantenimento delle condizioni ottimali per l'idrogeno liquido. Esistono diversi metodi di isolamento per i serbatoi di idrogeno liquido, ognuno dei quali è più o meno adatto in base alla dimensione del serbatoio e agli scenari applicativi. I principali metodi di isolamento includono l'isolamento a strati, l'isolamento a basso vuoto, l'isolamento ad alto vuoto multilayer e l'isolamento con schermi multipli.

L'isolamento a strati è la soluzione più economica, ma non offre le stesse prestazioni degli altri metodi. In questo caso, la containerizzazione non prevede un ambiente di vuoto e viene riempita con materiali a bassa conducibilità termica come la perlite, la plastica espansa o il polistirene. Sebbene efficaci nell'isolare dal calore, questi materiali non sono in grado di prevenire la condensazione o la solidificazione dell'aria e dell'umidità, il che ne limita l'efficacia. Tuttavia, per progetti molto grandi, come quelli con serbatoi di volume superiore a 10.000 m³, l'isolamento a strati può ancora essere una scelta preferibile per motivi economici.

Un passo avanti rispetto all'isolamento a strati è l'isolamento a basso vuoto. In questo caso, lo strato intermedio tra il serbatoio interno ed esterno è mantenuto a una pressione di vuoto moderata, riducendo significativamente la conduzione del calore attraverso il gas. Inoltre, l'inserimento di polveri metalliche o materiali riflettenti aiuta a ridurre ulteriormente la radiazione termica. Uno degli sviluppi più recenti in questo campo è l'uso delle microsfere di vetro sotto vuoto. Queste microsfere, con dimensioni inferiori a 0,001 mm, sono particolarmente leggere e resistenti, e la loro struttura sotto vuoto offre un isolamento termico notevolmente migliorato. I test condotti da NASA, a partire dal 1998, hanno dimostrato che l'uso di microsfere di vetro sotto vuoto riduce significativamente il tasso di evaporazione dell'idrogeno liquido, con una riduzione della perdita di idrogeno del 46% rispetto ai metodi tradizionali.

Infine, l'isolamento ad alto vuoto multilayer è la soluzione più sofisticata, che prevede una struttura a strati multipli composta da schermi riflettenti e materiali separatori. Questo tipo di isolamento è in grado di attenuare significativamente la trasmissione del calore da radiazione, mantenendo così la temperatura interna del serbatoio costante.

Per quanto riguarda la progettazione di serbatoi per idrogeno liquido, è importante tenere presente che la perdita di idrogeno, anche se minima, può compromettere l'efficacia del sistema di isolamento e la sicurezza complessiva. Ogni giunzione, saldatura e connessione deve essere progettata per evitare perdite, poiché anche piccole quantità di idrogeno che sfuggono possono causare un pericoloso abbassamento del vuoto interposto, con conseguenti aumenti della temperatura interna e, quindi, della possibilità di evaporazione dell'idrogeno. Inoltre, la capacità di mantenere temperature stabili non è solo una questione di efficienza energetica, ma anche di sicurezza, poiché la gestione dell'idrogeno liquido deve essere impeccabile per prevenire qualsiasi rischio di esplosioni o fuoriuscite.

Come migliorare la capacità di immagazzinamento dell'idrogeno nei materiali MOF

I materiali MOF (Metal-Organic Frameworks) rappresentano una delle frontiere più promettenti per l'immagazzinamento dell'idrogeno. La loro struttura unica, composta da metalli di coordinazione e legami organici, conferisce a questi materiali una notevole capacità di adsorbire gas, tra cui l'idrogeno. Tuttavia, per ottenere un'efficace capacità di immagazzinamento, sono necessari diversi miglioramenti e ottimizzazioni delle proprietà fisiche e chimiche di questi materiali.

Uno degli aspetti cruciali per l'efficienza nell'adsorbimento dell'idrogeno è il calore di adsorbimento. La forza di interazione tra il MOF e le molecole di idrogeno è direttamente correlata al calore di adsorbimento: maggiore è il calore, maggiore è l'interazione. Attualmente, il calore di adsorbimento dell'idrogeno nella maggior parte dei MOF è circa 5 kJ/mol H2, ma i calcoli teorici suggeriscono che un intervallo ottimale per le alte performance potrebbe variare tra 15 e 25 kJ/mol H2. Migliorare questo parametro è fondamentale per ottimizzare la capacità di stoccaggio.

Le strategie per migliorare la capacità di immagazzinamento dell'idrogeno nei MOF includono diversi approcci, come l'aumento dei siti di coordinazione metallica insaturi, il dopaggio con cationi metallici e l'introduzione di metalli preziosi come il palladio o il platino. L'introduzione di metalli che dissociano facilmente le molecole di idrogeno consente l'implementazione del cosiddetto "spillover", un meccanismo in cui gli atomi di idrogeno dissociati dal metallo si diffondono sulla superficie del MOF.

Un altro approccio per migliorare l'adsorbimento dell'idrogeno è la creazione di siti metallici insaturi. Questi si formano rimuovendo le molecole di solvente di coordinazione dal centro metallico, creando siti aperti che facilitano l'interazione dipolo indotta dalla carica tra il metallo e le molecole di idrogeno. In esperimenti condotti con HKUST-1, un materiale MOF, è stato osservato un miglioramento significativo della capacità di stoccaggio dell'idrogeno, che ha raggiunto il 2,27% in peso a 0,1 MPa e il 3,6% a 1 MPa a 77 K.

Un altro importante miglioramento è stato ottenuto attraverso il dopaggio con ioni di litio, sodio o potassio. Questi cationi metallici, invece di creare siti aperti, aumentano l'interazione tra il MOF e l'idrogeno, favorendo un calore di adsorbimento maggiore. Il dopaggio con palladio o platino può ulteriormente aumentare la capacità di immagazzinamento grazie all'effetto spillover, che permette agli atomi di idrogeno dissociati di diffondere sulla superficie del MOF.

Inoltre, i progressi nei MOF per l'immagazzinamento dell'idrogeno ad alta pressione sono significativi. Nel contesto dell'immagazzinamento per veicoli a idrogeno, la capacità di lavoro, o la capacità disponibile di idrogeno, è un parametro fondamentale. Non si tratta solo della capacità assoluta di adsorbire idrogeno, ma di quanto idrogeno può essere immagazzinato in condizioni pratiche di temperatura e pressione. Il processo di adsorbimento a pressione variabile (PSA) viene utilizzato comunemente per determinare la capacità di lavoro, che è la differenza tra la capacità di carico dell'idrogeno e la capacità di rilascio a temperature e pressioni specifiche.

Il miglioramento delle condizioni operative, come la variazione della temperatura e della pressione, può notevolmente aumentare la capacità di lavoro dei MOF. A 77 K e 10 MPa, ad esempio, i MOF mostrano una capacità di lavoro relativamente bassa (<3,2 wt%), ma l'ottimizzazione delle condizioni operative, come il passaggio a 160 K e 0,5 MPa, può aumentare questa capacità, rendendo il processo di immagazzinamento più efficiente.

Tra i materiali che hanno mostrato la maggiore capacità di stoccaggio di idrogeno ci sono il MOF-5, che ha una capacità di stoccaggio gravimetrica di 7,8% e volumetrica di 51,9 g/L, e l'IRMOF-20, un'estensione del MOF-5 che ha una capacità superiore grazie alla sua maggiore superficie specifica. Inoltre, il materiale V2Cl2.8(btdd), progettato con siti metallici divalenti di vanadio, ha mostrato una capacità di stoccaggio ad alta temperatura ambiente, con un calore di adsorbimento di 20,6 kJ/mol, che lo rende particolarmente promettente.

È essenziale comprendere che, sebbene i MOF basati su cluster metallici come Cu2 e Zn4 mostrino una buona capacità di stoccaggio, la stabilità strutturale di questi materiali deve essere migliorata per garantirne l'affidabilità a lungo termine. I MOF basati su cluster metallici ad alta valenza, come Zr6, Al3 e Fe3, sono più stabili e hanno potenzialità maggiori per l'immagazzinamento dell'idrogeno.

Oltre a questi miglioramenti, la ricerca continua a focalizzarsi sull'integrazione di tecnologie avanzate, come gli algoritmi di machine learning combinati con simulazioni Monte Carlo, per identificare nuove configurazioni di materiali che possano migliorare ulteriormente le capacità di immagazzinamento. Tuttavia, il percorso verso l'adozione commerciale dei MOF come materiali per l'immagazzinamento di idrogeno richiede ancora una validazione più approfondita, sia in termini di stabilità che di efficienza operativa.

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