L'idrogeno e le celle a combustione

L’idrogeno fu individuato come sostanza distinta nel 1776 da Henry Cavendish (chimico e fisico scozzese: 1731–1810) che lo chiamò “aria infiammabile” grazie alla sua alta infiammabilità. Il nome idrogeno però lo si deve ad Antoine Lavoisier (chimico francese: 1743–1794) che unì le parole hydro: acqua e genes: generare. L'idrogeno è un gas che a pressione atmosferica e a temperatura ambiente (298K) è

  • incolore,
  • inodore,
  • insapore,
  • altamente infiammabile,
  • leggerissimo (peso atomico 1).

L'idrogeno è l'elemento più leggero e più abbondante di tutto l'universo. È presente nell'acqua e in tutti i composti organici e organismi viventi. Le stelle sono principalmente composte di idrogeno nello stato di plasma.

La produzione e l’immagazzinamento dell’idrogeno

L’idrogeno è il combustibile per eccellenza, infatti lo scarto della sua combustione non è altro che vapore acqueo, questo significa, quindi, massima sostenibilità ambientale e possibile soluzione dei problemi legati all’inquinamento atmosferico del nostro pianeta se sostituito ai combustibili fossili. L’idrogeno, purtroppo, non è reperibile allo stato libero, tuttavia può essere prodotto in svariati modi:

  • dalle bio-masse per massificazione,
  • dai rifiuti con processi foto-elettrochimici,
  • da alghe attraverso reazioni foto-biologiche,
  • ma, soprattutto, tramite il processo di elettrolisi dall’acqua.

E’ proprio questa ultima tecnica di estrazione dell’idrogeno che lo rende molto interessante, applicato alle fonti energetiche rinnovabili. Infatti, se si pensa all’estrazione dell’idrogeno in maniera industriale dagli idrocarburi (sistema di produzione attualmente più utilizzato) si avvalla quanto affermato da molti sulla “poco realistica” sostenibilità ambientale dell’idrogeno, visto che per ogni atomo di carbonio presente negli idrocarburi utilizzati nei processi di “reforming”, si produce una molecola di anidride carbonica. Come sappiamo, l'anidride carbonica è il principale dei gas cosiddetti “serra” i quali contribuiscono al riscaldamento del nostro pianeta, con gravi e ancora non del tutto prevedibili conseguenze sul clima. In effetti, la quantità di anidride carbonica ottenuta producendo idrogeno per “reforming” è la stessa che si produrrebbe se il metano o il petrolio utilizzati fossero bruciati direttamente in una centrale elettrica. Ma la situazione cambia se l’idrogeno viene prodotto per elettrolisi dell’acqua usando energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici o generatori eolici, da fonti rinnovabili, quindi, e ritrasformato in energia elettrica usando apparati come le CELLE A COMBUSTIBILE (fuel cell). Inoltre il processo di elettrolisi produce, come scarto eccellente, anche ossigeno che può essere recuperato per altri scopi non meno importanti, aumentando il rendimento del sistema. L'immagazzinamento dell’idrogeno, invece, avviene attraverso tre metodi oggi conosciuti:

  • LA COMPRESSIONE del GAS a 150-200 BAR e STOCCAGGIO in APPOSITE BOMBOLE;
  • LIQUEFAZIONE del GAS e STOCCAGGIO in APPOSITI CONTENITORI a una TEMPERATURA di -253°C;
  • ASSORBIMENTO del GAS in APPOSITE LEGHE METALLICHE (IDRURI METALLICI).

Il primo sistema è il più diffuso, ma comporta parecchi problemi dovuti al rispetto delle norme di sicurezza sia durante la compressione (l’Idrogeno è un gas altamente esplosivo) che durante lo stoccaggio (avendo peso atomico 1 il gas è altamente volatile e quindi non facile da stoccare per lungo tempo). Inoltre, l’energia elettrica necessaria alla compressione del gas contribuisce all’abbassamento della resa del processo finale di utilizzo dell’Idrogeno. Questo metodo inoltre è poco conveniente per i volumi di spazio occupati.

Anche il sistema a liquefazione necessita di compressione del gas per cui è soggetto a tutte le problematiche di sicurezza del precedente e, inoltre, in questo caso l’energia elettrica per la compressione e la liquefazione dell’idrogeno è pari ad un quarto di quella ottenibile dalla combustione del gas. Altro problema non meno importante in questo secondo sistema di stoccaggio è dato dalla necessità di mantenere il liquido a -253°C attraverso ingombranti sistemi di coibentazione e refrigerazione che richiedono ulteriori consumi energetici.

Il terzo procedimento è attualmente il più innovativo, vantaggioso e sicuro. Vengono utilizzati speciali materiali, Idruri Metallici, in grado di assorbire l’Idrogeno in forti quantità a valori di compressione del gas tra 1 e 10 Bar, e di rilasciarlo poi quando lo stesso materiale viene riscaldato. Questo tipo di processo non richiede grossi apporti di energia (basse pressioni di stoccaggio dell’Idrogeno) e se accoppiato con l’uso di Fuel Cell di tipo PEM è possibile facilitare l’estrazione del gas dallo stoccaggio usando il calore prodotto della Fuel Cell PEM stessa che normalmente ha una temperatura di funzionamento intorno agli 80°C.

Un quarto sistema è allo studio e consiste nell’adozione di “nanotubi” di carbonio, strutture derivate dalla tecnologia dei “fullereni”: la terza forma allotropica del carbonio inorganico. Queste strutture si caratterizzano per la capacità di assorbire il gas idrogeno in maniera significativa a basse pressioni e a temperature ambiente.