Energipedia - Tutto sull'EnergiaEnergipedia - Tutto sull'EnergiaFonti per generazione elettricaIdrogeno

Idrogeno

    Energia prodotta dall’idrogeno

    Cenni storici

    Furono Philipp Theophrast Bombast von Hohenheim, meglio noto come Paracelso, Turquet De Mayerne e Robert Boyle i primi, che nel XVI secolo, produssero idrogeno per reazione di acidi (in particolare acido solforico) combinati con ferro ed altri metalli.

    Nel 1766 Henry Cavendish verificò invece che l’idrogeno era molto più leggero dell’aria e lo chiamò aria infiammabile, mentre nel 1783 Antoine Lavoisier identificò l’idrogeno come un elemento chimico e gli assegnò il suo nome attuale derivandolo dal greco antico (acqua e radice di diverse parole che riguardano l’atto del generare).

    Cos’è l’idrogeno?

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    L’idrogeno è, a temperatura ambiente, un gas incolore, inodore, insapore e praticamente insolubile in acqua. E’ altamente infiammabile e forma, con l’aria, miscele esplosive. È un asfissiante semplice, cioè è atossico, ma se rilasciato in ambienti confinati può dare luogo ad atmosfere ipossigenate con rischio di asfissia.

    E’ senza dubbio l’elemento chimico più abbondante nell’universo. L’analisi spettrale della luce emessa dal Sole ci dice infatti che questa stella è costituita da idrogeno per circa il 90%.

    Un discorso analogo vale anche per le altre stelle, con il risultato che oltre il 75% della massa dell’universo è costituita da idrogeno.

    Con l’ossigeno ed il silicio è uno degli elementi più diffusi sulla crosta terrestre, tuttavia è presente quasi esclusivamente in forma combinata poiché l’attrazione gravitazionale terrestre è insufficiente a trattenere un gas circa 14 volte più leggero dell’aria. In ambienti chiusi tende a stratificarsi verso l’alto. Allo stato elementare lo si può trovare nelle emanazioni vulcaniche e nelle fumarole; oppure intrappolato nel sottosuolo, ad esempio nei giacimenti petroliferi.

    Il composto più importante nel quale vi è idrogeno è l’acqua, nella quale è combinato con l’ossigeno. Inoltre, insieme al carbonio ed all’ossigeno, forma i composti organici (carboidrati, proteine, lipidi, ecc.) che sono i costituenti fondamentali del mondo vegetale ed animale.

    L’atomo dell’idrogeno è costituito da un nucleo, composto da un solo protone, intorno al quale si muove un solo elettrone. E’, quindi, il più semplice di tutti gli elementi.

    L’impiego dell’idrogeno

    L’idrogeno, durante gli anni, è stato impiegato in diversi settori: dal settore energetico a quello alimentare o metallurgico, ma ha trovato la sua maggior applicazione nell’industria chimica e petrolchimica (come evidenziato nel grafico).

    Il suo impiego prevalente nel settore energetico è stato per anni quello di principale componente del gas di città, impiego poi abbandonato a causa della compresenza di monossido di carbonio.

    Ancora prima venne utilizzato per i primi prototipi di celle a combustibile e di motori a combustione interna, ma solo con l’avvento delle missioni aerospaziali lo si è iniziato ad utilizzare realmente come vettore di energia, sia a scopo propulsivo che per produzione di energia elettrica per gli impianti di bordo.

    Parallelamente si è cominciato a pensare alla produzione di idrogeno per assorbire la produzione di energia elettrica durante le ore vuote da parte delle centrali nucleari e, successivamente, per accumulare l’energia elettrica prodotta dai sistemi basati sulle fonti rinnovabili. Il progressivo esaurirsi delle fonti fossili e la crescente attenzione ai problemi ambientali hanno accresciuto l’interesse per l’idrogeno come vettore di energia in questi ultimi decenni.

    Vettore energetico

    Al pari dell’energia elettrica l’idrogeno è un vettore di energia. Questo significa che non è disponibile in natura in forma molecolare ‘libera’, cioè come H2, pronto per essere utilizzato (in realtà lo si trova, ma in quantità ridottissime), ma che bisogna prima produrlo a partire dalle sostanze che lo contengono, poi sfruttarlo per i vari usi.

    Perciò, una volta prodotto richiede di essere distribuito ed inoltre è spesso necessario accumularlo.

    L’idrogeno è stato ed è tuttora impiegato nelle missioni aerospaziali grazie al fatto di essere il combustibile col maggior potere calorifico per unità di peso. Pertanto, per determinate applicazioni, le tecnologie di distribuzione ed accumulo a bordo sono state sviluppate con successo da decenni.

    Anche per l’accumulo a terra di idrogeno esistono diverse tecnologie già adeguate, sia basate su serbatoi naturali (caverne sotterranee di salgemma, falde acquifere, rocce porose, giacimenti esauriti di idrocarburi), sia basate su serbatoi artificiali. L’accumulo dell’idrogeno in impianti sotterranei è conveniente soprattutto per grossi quantitativi e/o lunghi periodi. Esempi di accumulo sotterraneo di idrogeno o gas ricchi di idrogeno si trovano in Germania (Kiel, gas di città), Francia (nei pressi di Baynes, prodotti gassosi di raffineria in strutture acquifere) e Regno Unito (nei pressi di Teeside, idrogeno in miniere saline).

    Ben diversa è, invece, la situazione per quanto riguarda l’accumulo a bordo nel settore del trasporto su strada poiché in questo caso assumono un’importanza basilare la densità volumetrica ed il tempo di rifornimento, oltre alla densità ponderale che deve tener conto del peso del serbatoio.

    Proprio per questo motivo, l’accumulo e la distribuzione di idrogeno rappresentano, probabilmente, il collo di bottiglia dell’intero sistema. Per ovviare a questo problema sono state prese in esame anche tecnologie diverse dall’accumulo di idrogeno in forma pura, ma, mentre alcune sembrano ormai abbandonate, quelle che prevedono un accumulo allo stato solido sembrano tutt’ora molto promettenti.

    Come si produce

    Idrogeno

    I metodi più usati per la produzione di idrogeno sono il reforming del gas naturale, l’ossidazione parziale degli oli residui, la gassificazione del carbone e l’elettrolisi dell’acqua. Circa la metà dell’idrogeno prodotto attualmente nel mondo proviene da steam reforming del gas naturale, che è il procedimento attualmente più economico.

    Steam reforming

    Il gas naturale, immesso in un reattore chimico denominato reformer, reagisce con vapore d’acqua ad alta temperatura. A seguito della reazione parte del carbonio presente nel metano (e negli altri idrocarburi presenti in quantità minore) si lega con parte dell’ossigeno presente nell’acqua, generando biossido di carbonio e liberando atomi di idrogeno provenienti sia dal metano che dall’acqua, che si combinano in molecole. La reazione è favorita da alte temperature e basse pressioni ed è una reazione endotermica. La temperatura di reazione può essere ridotta utilizzando opportuni catalizzatori ed aumentando il flusso di vapore d’acqua.

    Idrogeno

    Il gas generato ha come componenti principali idrogeno, monossido di carbonio, vapor d’acqua, biossido di carbonio e metano residuo. Per ottenere idrogeno a più alto grado di purezza è quindi necessario un ulteriore processo denominato shift del gas d’acqua che avviene a temperature inferiori e converte la maggior parte del monossido di carbonio in biossido di carbonio estraendo altro ossigeno dal vapor d’acqua e liberando, quindi, altro idrogeno.

    Infine devono essere separati il biossido di carbonio e l’acqua prodotta dalla condensazione del vapore residuo. Il calore recuperato dal raffreddamento del gas e la combustione del gas di coda contribuiscono ad alimentare termicamente il processo di reforming che generalmente richiede anche la combustione di un flusso secondario di gas naturale.

    L’elettrolisi dell’acqua

    L’elettrolisi dell’acqua è un’altra opportunità per la produzione di idrogeno. L’operazione avviene all’interno di una cella elettrochimica, dove lo scorrimento di corrente elettrica provoca la scissione della molecola di acqua nei suoi costituenti: idrogeno ed ossigeno. I due gas si sviluppano sulle superfici dell’anodo e del catodo della cella e possono venire raccolti ed immagazzinati. L’uso di catalizzatori utilizzanti metalli nobili (nichel, platino) consente di mantenere le perdite entro livelli contenuti. Un moderno elettrolizzatore può avere un rendimento energetico intorno al 75%.

    L’idrogeno prodotto mediante elettrolisi dell’acqua è tuttavia più costoso di quello ottenuto dal reforming del metano. La produzione di idrogeno per elettrolisi utilizzando energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili consentirebbe di evitare le emissioni di anidride carbonica  dovute alla generazione di energia elettrica da combustibili fossili e quelle prodotte nel corso del processo di reforming. L’energia elettrica per l’elettrolisi proverrebbe in questo caso da centrali idroelettriche, geotermiche, solari ed eoliche, oppure a partire dalle biomasse.

    Anche la produzione di idrogeno per elettrolisi a partire dall’energia elettrica prodotta da centrali nucleari è una opzione che consente una produzione di idrogeno libera da emissioni di CO2.                   Il basso costo dell’energia prodotta dal nucleare consentirebbe un costo di produzione dell’idrogeno molto più basso dell’attuale.

    La produzione di idrogeno per elettrolisi dell’acqua con energia elettrica generata da pannelli fotovoltaici merita un particolare commento. L’energia solare è disponibile unicamente durante il giorno, quando la necessità di energia elettrica in rete è massima. In questa situazione è sempre preferibile immettere direttamente in rete l’energia elettrica generata dall’impianto fotovoltaico, piuttosto che immagazzinarla, con perdite, sotto forma di idrogeno per poi utilizzarla, con altre perdite, durante la notte, usando l’idrogeno accumulato, quando le necessità di energia in rete sono molto inferiori.

    Generazione da pannelli fotovoltaici

    Diverso è invece il caso di un sistema di generazione di idrogeno da pannelli fotovoltaici in una applicazione totalmente isolata dalla rete dove la disponibilità di energia elettrica notturna è garantita solo dall’energia accumulata sotto forma di idrogeno durante il giorno.

    A differenza del fotovoltaico, utilizzando il solare a concentrazione si otterrebbe una efficienza maggiore nella produzione di idrogeno. Infatti, mentre in condizioni normali la dissociazione termica dell’acqua comincia a circa 2000 °C, con questa tecnologia ed utilizzando opportuni catalizzatori la dissociazione dell’acqua può avvenire a circa 550 °C.

    In campo energetico l’idrogeno può essere utilizzato essenzialmente attraverso due processi di conversione: chimico ed elettrochimico.

    Conversione chimica

    Nel primo caso si ha una tradizionale combustione (con aria od ossigeno puro) con produzione di vapore (ed eventualmente ossidi di azoto) e pertanto l’idrogeno, pur con le sue caratteristiche specifiche, va a sostituirsi ad un qualsiasi altro combustibile impiegato in motori, in caldaie, ecc.
    La combustione con ossigeno puro permette tuttavia di generare vapore a temperatura molto elevata e questo apre nuove prospettive (si veda ad esempio il ciclo Jericha ed i suoi derivati o il ciclo Spazzafumo).

    Assai interessante è anche l’impiego combinato di idrogeno con combustibili tradizionali nei motori a combustione interna. L’aggiunta di idrogeno consente infatti di ridurre le emissioni e di migliorare le prestazioni del motore. Tuttavia le caratteristiche dell’idrogeno, in particolare la sua bassa densità, richiedono una progettazione molto attenta del sistema di combustione per ottenere le prestazioni ottimali.

    Un motore a combustione interna appositamente progettato è in grado di beneficiare di alcune caratteristiche dell’idrogeno: la migliore propensione a formare miscele omogenee con l’aria, la maggiore velocità di fiamma della miscela aria/idrogeno rispetto alle miscele tra aria ed altri combustibili, il più ampio campo di infiammabilità, la maggior temperatura di auto ignizione. Si ritiene che il rendimento di un motore a idrogeno possa risultare superiore al rendimento di un motore a benzina di un fattore 1,5÷2.

    L’idrogeno bruciato in rapporto stechiometrico con l’ossigeno, è un combustibile “unico” poiché il prodotto della reazione è puro vapor d’acqua.

    Conversione elettrochimica

    Nel caso di conversione elettrochimica si ha invece produzione diretta di energia elettrica, mentre l’acqua generata può ritrovarsi sia allo stato liquido che di vapore. Il dispositivo che consente questo tipo di processo è la cella a combustibile, inventata da William Grove nel 1839. Da allora sono state condotte numerose ricerche su diversi tipi di celle a combustibile cosicché alle celle acide si sono aggiunte quelle alcaline, quelle a membrana a scambio di protoni, quelle a carbonati fusi e quelle ad ossidi solidi.

    Solo a partire dagli anni ’60 questa tecnologia ha trovato applicazione, grazie alle missioni aerospaziali, e successivamente sono stati sviluppati prototipi per autotrazione e per applicazioni stazionarie. Il costo è ancora elevato, ma si stanno aprendo nicchie di mercato nelle quali le celle a combustibile iniziano ad inserirsi.

    Pile a combustibile

    La tecnologia delle pile a combustibile è però quella più promettente per il futuro. Si tratta di un insieme di celle elettrochimiche alimentate ad idrogeno ed ossigeno (normalmente è sufficiente quello contenuto nell’aria). Anche le comuni pile sono celle all’interno delle quali avviene una reazione elettrochimica. I reagenti sono generalmente formati dagli stessi elettrodi della pila, che si esauriscono nel corso del tempo. Una volta esauriti la pila è scarica e deve essere sostituita.

    In una pila a combustibile gli elettrodi sono inerti ed i reagenti (idrogeno ed ossigeno) vengono forniti dall’esterno. Gli elettrodi non si consumano e la pila continua a fornire energia elettrica fintanto che si continua ad alimentarla con i reagenti.

    Si possono quindi ottenere rendimenti di conversione maggiori di quelli offerti dalle tecnologie convenzionali di conversione. Inoltre dato che il combustibile di partenza è l’idrogeno il prodotto di combustione è solamente acqua. Viene quindi evitata la produzione locale di gas serra. Con pile a combustibile funzionanti a bassa temperatura è evitata anche la formazione di ossidi di azoto, mantenendo virtualmente a zero il livello di inquinamento localizzato.

     

    Le tecnologie

    Le celle a combustibile si differenziano principalmente per il tipo di elettrolita utilizzato.

    Le tipologie che hanno avuto un certo sviluppo, anche industriale, sono:

    • Celle alcaline o AFC
    • A membrana polimerica o PEM
    • Ad acido fosforico o PAFCA carbonati fusi o MCFC
    • Ad ossidi solidi o SOFC

    Queste tipologie di celle a combustibile si differenziano tra di loro principalmente per la temperatura di funzionamento, che va dagli 80÷90°C delle AFC e delle PEM ai circa 1.000°C delle SOFC.

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    Queste notevolissime differenze nelle temperature di funzionamento sono all’origine delle differenti applicazioni per le quali ciascun tipo di cella a combustibile è maggiormente adatta.

    Una caratteristica comune di tutte le celle a combustibile è quella di avere un rendimento di conversione molto elevato che, per realizzazioni industriali va da un 30-40% per le PEM a bassa temperatura a punte superiori al 60% delle SOFC ad altissima temperatura, relativamente al potere calorifico inferiore dell’idrogeno utilizzato. Le AFC per uso spaziale, costruite con materiali speciali e senza obiettivi di ottimizzazione del costo, hanno un rendimento del 60% anche funzionando a basse temperature.

    Le celle a combustibile a bassa temperatura sono tendenzialmente più adatte ad applicazioni di piccola potenza o per impieghi mobili, mentre quelle a più alta temperatura meglio si prestano per applicazioni combinate con generazione termica o cicli combinati, dove si può ottenere una grande sinergia di integrazione.

    Sono stati realizzati molti esemplari di pile a combustibile ad acido fosforico (PAFC) da 200 kW da IFC e Toshiba, alimentati a metano, con reformer interno. In Giappone è stato realizzato, nel 1990 un impianto PAFC da 11 MW che ha funzionato per qualche anno, ma con molte difficoltà di esercizio.
    Alcuni prototipi di impianti a carbonati fusi (MCFC) di varie potenze, alimentati a metano, con reformer interno, sono stati realizzati negli USA ed hanno funzionato per breve tempo. Sono stati anche costruiti dei prototipi di impianti con tecnologia ad ossidi solidi (SOFC) da 100 e 250 kW da Siemens – Westinghouse.

    Il reformer per il metano, combustibile che alimentava la pila, era integrato nella pila stessa. Uno di questi, da 100 kW ha funzionato per qualche anno, a partire dal 1999, dapprima in Olanda ed in seguito in Germania.

    Le attuali applicazioni per l’utilizzo dell’idrogeno in motori a combustione interna sono state fatte su dei motori standard opportunamente adattati con risultati nettamente inferiori. Esistono anche prototipi di motori alternativi a combustione interna che fanno uso di idrogeno combinato a combustibili tradizionali (benzina, GPL e metano). Solitamente, in tali motori, l’idrogeno è il combustibile secondario ed è presente in percentuali comprese tra il 10% ed il 35%. Questi tipi di motore uniscono una richiesta di idrogeno decisamente contenuta ad un abbattimento delle emissioni superiore a quello riconducibile alla quantità di idrogeno presente. Ciò è dovuto ad un miglior avanzamento della combustione e, di conseguenza, minori incombusti nei gas di scarico e ad una minor produzione di ossidi di azoto connessa alla possibilità di impiegare miscele più magre.

    Tutti i cicli idrogeno/ossigeno studiati hanno in comune un dispositivo innovativo rispetto ai tradizionali cicli a vapore: il generatore diretto di vapore, un bruciatore derivato dalla tecnologia aerospaziale che consente la produzione di vapore a temperatura molto superiore a quella conseguibile con una caldaia tradizionale e con un ingombro enormemente inferiore. Grazie al generatore diretto di vapore il limite superiore alla temperatura del ciclo è spostato dal generatore alla turbina. Ciò significa che già oggi si può pensare a cicli a vapore spinti fino alle temperature tipiche dei cicli turbogas.

    I vantaggi delle celle a combustibile sono:

    • Elevati rendimenti di produzione di energia elettrica (>40 %), poco dipendenti dalla dimensioni. Questi valori sono maggiori dei rendimenti dei motori a combustione interna convenzionali;
    • Elevata affidabilità (non ci sono parti in movimento che hanno una maggiore probabilità di rompersi);
    • Basso impatto ambientale;
    • Silenziosità

    Mentre le problematiche sono:

    • Elevati costi di produzione rispetto alla vita utile;
    • Necessitano di combustibili con basso contenuto di impurezze.

    In conclusione si può affermare che le potenzialità dell’idrogeno nel settore dei trasporti sono evidenti, anche alla luce delle ridotte emissioni (CO2 e particolato).

    Tuttavia la strada da percorrere è ancora lunga prima di poter affermare che costituisce una soluzione definitiva al problema energetico, anche a causa della mancanza di infrastrutture adeguate in grado di sostenere, da qui a breve, il totale passaggio ad un’economia ad idrogeno

    La sicurezza

    L’idrogeno è un gas usato largamente e da lungo tempo nel mondo industriale. Attualmente vengono prodotti annualmente circa 450 miliardi di m3 di idrogeno.

    Le problematiche di sicurezza connesse con l’uso dell’idrogeno sono sicuramente da ricercare nelle sue caratteristiche chimico-fisiche che determinano:

    • elevata capacità di fuga da materiali o punti di discontinuità (giunzioni, valvole, fessure, ecc.);
    • elevata infiammabilità;
    • bassa energia di ignizione;
    • generazione di fiamme invisibili.

    La sua bassa densità fa sì che, in caso di esplosione, venga rilasciata molta meno energia per unità di volume rispetto agli altri combustibili, circa 3 volte meno rispetto al gas naturale e ben 8 volte meno rispetto al propano. Inoltre, essendo circa 14,4 volte più leggero dell’aria atmosferica e con una velocità di fiamma superiore agli altri gas combustibili, brucia verso l’alto e più velocemente.

    Le tipologie di rischio si possono, in termini estremamente generali, così riassumere:

    • fisiologico: congelamento, asfissia, difficoltà respiratorie;
    • fisico: cambiamenti di fase, guasto nei componenti, infragilimento;
    • chimico: ignizione, incendio, esplosione.

    Sebbene un consistente rilascio di idrogeno possa determinare nelle persone direttamente coinvolte fenomeni di ipotermia ed ustioni da freddo, nel caso di idrogeno liquido, e di asfissia, nel caso di idrogeno gassoso, il rischio principale rimane senza dubbio quello connesso con la formazione di miscele infiammabili (spesso difficilmente rilevabili) che possono generare incendi o esplosioni: eventi questi che estendono i danni anche ad attrezzature e a persone non necessariamente coinvolte in maniera diretta dal rilascio. Va sottolineato infine che la combustione dell’idrogeno avviene con fiamma non visibile, anche se facilmente rilevabile con opportuni sensori.

     

    Pagina curata dall’Ing. Giovanni Pino (Vice Presidente Forum Italiano dell’Idrogeno)

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