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	Nozioni generali   Fonti di produzione   Celle a combustibile         Notizie sull'idrogeno Nozioni generali L'idrogeno è l'elemento più leggero e abbondante dell'universo. È tuttavia assai raro sulla Terra allo stato elementare, a causa della sua estrema volatilità. Per poterne disporre in quantità industrialmente utili occorre pertanto estrarlo dai composti che lo contengono in abbondanza (ad esempio dall’acqua, dai combustibili fossili, da sostanze minerali e da organismi vegetali) utilizzando una fonte di energia esterna. Per questo motivo l’idrogeno, al pari dell’elettricità, deve essere considerato un vettore energetico, piuttosto che una fonte energetica primaria. L'interesse per il suo impiego come combustibile, tanto per applicazioni industriali quanto per l’autotrazione, deriva dal fatto che l'inquinamento prodotto dall’idrogeno è quasi nullo. Se usato in sistemi a combustione produce, infatti, soltanto vapore acqueo e tracce di ossidi di azoto; mentre produce solo vapore acqueo, se viene utilizzato con sistemi elettrochimici (celle a combustibile). Le tecnologie di produzione dell'idrogeno a partire dai combustibili fossili (in particolare dal carbone) sono mature e ampiamente utilizzate, anche se vanno ottimizzate da un punto di vista economico, energetico e di impatto ambientale. Dei circa 500 miliardi di m3 di idrogeno prodotti annualmente a livello mondiale, circa 190 miliardi rappresentano un sottoprodotto dell'industria chimica, mentre la maggior frazione deriva da combustibili fossili (gas naturale, idrocarburi pesanti e carbone) attraverso processi di reforming, di ossidazione parziale, di pirolisi e di gassificazione. La produzione dell’idrogeno dai combustibili fossili ha tuttavia l'inconveniente di dar luogo alla emissione, come prodotto di scarto, di grandi quantità di CO2, gas notoriamente ad effetto serra. Tuttavia proprio la produzione dell’idrogeno dal carbone e l’idrogeno generato come sottoprodotto nell’industria chimica appaiono oggi le uniche strade praticabili per avviare una filiera produttiva di dimensioni tali da raggiungere le necessarie economie di scala. L'estrazione diretta di idrogeno dall'acqua ha, al momento, un unico processo industriale consolidato: l'elettrolisi. In questo caso si dà luogo a un processo di produzione e consumo ambientalmente sostenibile, ma è necessaria una corrispondente quantità di energia elettrica pulita in grado di alimentare il processo di elettrolisi. Il problema è pertanto quello dei costi: con l'elettrolisi dell'acqua, infatti, si può ottenere idrogeno praticamente puro, ma a un prezzo che può diventare economicamente accettabile in una prospettiva ancora lontana, allorquando le innovazioni tecnologiche potranno consentire di utilizzare per il processo energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (o da nucleare) a costi molto bassi. Altri aspetti da valutare con attenzione sono inoltre quelli legati alla difficoltà di trasporto e stoccaggio , sia per la bassa densità energetica, sia perché l’idrogeno è esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile. Lo sviluppo dell'idrogeno come vettore energetico è pertanto una opzione di estremo interesse per contribuire a risolvere i problemi energetici del pianeta, ma richiede miglioramenti sostanziali nelle tecnologie esistenti e la ricerca di tecnologie innovative per renderne l'impiego economico e affidabile nelle varie fasi della catena tecnologica (produzione, trasporto, stoccaggio, utilizzo finale). Si tratta di una sfida non semplice, che si sta oggi affrontando con numerose tecnologie allo studio. In questo scenario l'Italia può avere un ruolo da protagonista, poiché le conoscenze scientifiche e le capacità tecnologiche possedute sono di vertice a livello internazionale. La Ricerca di Enel, particolarmente attiva nel settore, punta sulla produzione sia da fonti fossili, attraverso la gassificazione del carbone, sia da fonti rinnovabili con il processo di elettrolisi, sfruttando l’elettricità prodotta nelle centrali idroelettriche. Pur non trascurando la sperimentazione e verifica delle celle a combustibile, Enel concentra i suoi sforzi sui più consolidati ed economicamente affidabili sistemi di conversione basati sulla combustione. A questo proposito, tra l’altro, nell’ambito delle attività dell’Hydrogen Park di Marghera, Enel sta sviluppando un progetto dimostrativo di un ciclo ad idrogeno per produrre elettricità e calore, caratterizzato da un’efficienza complessiva molto elevata e da zero emissioni. Fonti di produzione Combustibili fossili Le tecnologie di produzione di idrogeno a partire dai combustibili fossili (steam reforming, ossidazione parziale, gassificazione) sono mature ed ampiamente utilizzate, anche se vanno ottimizzate (da un punto di vista energetico e di impatto ambientale, ma soprattutto di costi) per la produzione su vasta scala dell'idrogeno come vettore energetico. Oggi, circa la metà (48 %)dell'idrogeno prodotto nel mondo è estratto dal gas naturale, metano (o da frazioni leggere di petrolio), attraverso un processo di steam reforming (trasformazione con vapore), in cui il metano reagisce con il vapore acqueo in un convertitore catalitico (generalmente di nichel) alla temperatura di 800 ° C. Il processo chimico di steam reforming libera atomi di idrogeno e ha come sottoprodotto anidride carbonica. Poiché l’idrogeno in tal modo prodotto è più costoso del metano, utilizzare l'idrogeno, come combustibile per produrre energia termica, al posto del metano, non e conveniente. Oltre l'idrogeno viene emessa una certa quantità di gas inquinanti (anidride carbonica). Poiché le celle a combustibile, nelle quali questo gas viene utilizzato per produrre energia, si basano su un processo chimico reversibile e diretto, esse operano con un'efficienza 2 o 3 volte maggiore a parità di energia prodotta. Le emissioni inquinanti, perciò, come risultato finale, sono 3 volte inferiori di quelle di una centrale termoelettrica tradizionale che produce la stessa energia direttamente per combustione del gas naturale( e quindi con immissione nell'atmosfera di CO2 e CO). Gli sforzi maggiori in questo campo vanno dedicati alla separazione e al confinamento della C02, prodotta insieme all'idrogeno. E' necessario a tal fine sviluppare soluzioni economiche ed affidabili, ottimizzando le attuali tecnologie di separazione (membrane, processi di assorbimento o di adsorbimento, processi criogenici) o sviluppando tecnologie innovative, ma soprattutto affrontando le problematiche del trasporto della CO2 del suo confinamento a lungo termine (giacimenti esauriti di metano o petrolio, oceani, acquiferi). Le esperienze condotte dalle società petrolifere (iniezione di C02 nei giacimenti per estrarre una maggiore quantità di petrolio o gas) rappresentano un primo, significativo passo in tal senso. Le prime applicazioni industriali su larga scala sono previste, comunque, dopo il 2010. Biomasse La produzione di idrogeno a partire da biomasse si presenta molto interessante, ma nessuno dei processi proposti ha ancora raggiunto la maturità industriale. Le diverse alternative (gassificazione; pirolisi e successivo reforming della frazione liquida prodotta; produzione di etanolo e reforming dello stesso; produzione biologica attraverso processi basati su fenomeni di fotosintesí o di fermentazione) richiedono tutte, anche se a livelli diversi, un impegno notevole di ricerca, sviluppo e dimostrazione. Fotoconversione Allo scopo di abbattere drasticamente i costi di produzione e l'impatto sull'ambiente delle fonti energetiche, Italia e Giappone stanno studiando, per la produzione d'idrogeno, l'utilizzo di energia solare abbinata a sistemi biologici, come alghe, microrganismi ingegnerizzati, rifiuti organici. In particolare, gli studi sono rivolti all'ingegneria genetica per ottimizzare la produzione di idrogeno da parte di microrganismi fotosintetici. Molto attivi in questo campo sono i laboratori dell'ENIRicerche, grazie agli studi effettuati, nel centro di San Donato Milanese, sul Pyrococcus furiosus, un batterio resistente a temperature elevate e, considerato molto promettente. ACQUA L'idrogeno può essere prodotto dall'acqua scindendo la stessa nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno), attraverso diversi processi, tra i quali quello più consolidato è l'elettrolisi. L'elettrolisi dell'acqua consente di ottenere idrogeno praticamente puro. Questo processo, per il quale l'elettricità ha attualmente un costo fino a tre o quattro volte superiore a quello del metano impiegato per lo steam reforming, può diventare economicamente accettabile in prospettiva,in seguito ad innovazioni tecnologiche e in condizioni di costo estremamente basso dell'energia elettrica, se prodotta da fonti rinnovabili (solare, geotermica, eolica, ecc..) o nucleare. L'elettrolisi dell'acqua, che utilizza 4-5 chilowattora di energia elettrica per ogni metro cubo di idrogeno prodotto, è un metodo oggi utilizzato in alcuni grandi impianti sorti in vicinanza di centrali idroelettriche, che producono elettricità a basso costo e in modo continuativo utilizzando le ore di basso consumo (per esempio notturne), ottimizzando così il rendimento. Celle a combustibile Nelle reazioni di combustione si assiste essenzialmente ad un processo chimico rapido e fortemente esotermico nel quale avviene l’ossidazione tramite un reagente (il comburente, l’ossigeno) di una sostanza detta combustibile. Provocando la reazione del sistema combustibile+comburente il risultato sarà un insieme di prodotti di combustione: l’energia rilasciata dalle reazioni chimiche di ossidazione si è resa disponibile nella forma di calore dei gas caldi così generati. Il modo più comune per ottenere lavoro da un combustibile è proprio quello di trasformare l’energia chimica in energia termica, tramite un normale processo di combustione, e successivamente di convertire l’energia termica in lavoro utilizzando delle macchine. Questo tipo di trasformazione soggiace alle limitazioni termodinamiche espresse dal rendimento di Carnot per una macchina ideale che operi tra una sorgente ed un pozzo di calore a temperatura costanti: Il valore del rendimento potrebbe innalzarsi, ed il lavoro estraibile potrebbe corrispondentemente avvicinarsi al lavoro massimo Wmax ovvero all’exergia del combustibile, solo se la temperatura della sorgente di calore crescesse fino a valori enormi (caratteristici delle cosiddette “fiamme reversibili”: ad esempio circa 3700K per il metano), tecnologicamente inaccessibili: non esistono materiali utilizzabili per la costruzione delle macchine che dovrebbero lavorare con fluidi così caldi. La trasformazione di energia chimica in energia elettrica può invece avvenire direttamente, in modo simile a quanto accade nelle comuni batterie, mediante reazioni isoterme ed isobare all’interno delle celle a combustibile (Fuel Cell, FC). Contrariamente a quanto accade nelle macchine convenzionali per la produzione di energia elettrica da combustibili, le FC sono dunque basate su reazioni elettrochimiche invece che su processi termofluidodinamici. Questo tipo di reazioni non coinvolge il passaggio attraverso il calore come forma intermedia di energia come accade nella conversione energia chimica-calore-lavoro caratteristica dello sfruttamento della reazione di combustione. Si produce direttamente energia elettrica da energia chimica e non si deve pertanto sottostare alle limitazioni del principio di Carnot. In una tipica cella a combustibile, il combustibile gassoso (p.e. H2) è fornito con continuità all'anodo (elettrodo negativo, dove avviene l’ossidazione del combustibile e la produzione di elettroni), mentre il comburente (ad es. aria oppure ossigeno) può essere rifornito al catodo (elettrodo positivo,dove avviene la riduzione dell’ossigeno con gli elettroni provenienti dal circuito esterno collegato con l’anodo). La reazione chimica avviene mediante scambio di ioni attraverso l’elettrolita e produce corrente elettrica chiudendo il circuito tra gli elettrodi. Se fino al 1960 le celle a combustibile erano una pura curiosità scientifica, al giorno d’oggi esse trovano o troveranno a breve termine impiego in tre grandi aree: Trazione per veicoli Alimentazione di reti elettriche ( per esempio per case, condomini, ospedali) Celle a combustibile miniaturizzate per impieghi portatili (telefoni cellulari, laptop computer) Trazione per veicoli Toyota e General Motors, che insieme producono un quarto delle automobili del mondo, hanno recentemente firmato un accordo per sviluppare alternative ai motori a benzina. Tale accordo comprende anche la realizzazione di veicoli motorizzati con celle a combustibile. Un’intesa simile è stata anche raggiunta da Chrysler e Ford, che producono un altro quarto delle automobili, e Ballard Power System, la società canadese che ha costruito celle a combustibile per uso veicolare. Anche in Europa, le principali case automobilistiche hanno allo studio prototipi di tali veicoli. Uno dei vantaggi dell’uso di celle a combustibile per la trazione di veicoli è il loro rendimento energetico. Dell’energia prodotta dal carburante, la percentuale che risulta effettivamente utilizzabile per il movimento del veicolo è potenzialmente di oltre il 50%. Nei sistemi con motore a benzina si raggiunge al massimo il 40%. Inoltre nel traffico urbano dove l’impiego è quasi sempre a basso carico per la limitata velocità, il rendimento energetico dei veicoli con celle a combustibile risulta circa il doppio delle auto classiche. Infine il materiale di scarico è solo del vapore acqueo. Autoveicoli a celle a combustibile sono dunque vantaggiosi, efficienti e consentono di superare le limitazioni intrinseche dei veicoli elettrici come la limitata autonomia e i lunghi tempi di ricarica delle batterie tradizionali. Sotto il profilo strettamente tecnologico le celle PEMFC e MCFC appaiono le più promettenti per la trazione veicolare. Alimentazione di reti elettriche Numerosi sono i vantaggi che rendono le celle a combustibile idonee per la produzione di energia elettrica. Il loro rendimento, contrariamente a quanto avviene negli impianti elettrici convenzionali, è poco sensibile alle variazioni del carico e indipendente dalla potenza installata. Una centrale a celle a combustibile, inoltre, ha una struttura modulare che può essere realizzata in breve tempo, con la possibilità di accrescere la sua potenzialità in proporzione all’aumento della domanda. A questi vantaggi vanno aggiunti il basso livello di inquinamento ambientale e la scarsa rumorosità. La prima centrale sperimentale a celle a combustibile, con il preciso intento di dimostrare l’impatto ambientale nullo in un centro abitato, è stata realizzata nel 1983 a New York. Va notato che a regime stazionario la cella a combustibile si presta alla cogenerazione, ossia, alla produzione congiunta di elettricità e calore. Celle a combustibile miniaturizzate per impieghi portatili Per giocattoli, telefonini, laptop computer ed altri prodotti di elettronica si fa uso al giorno d’oggi di batterie pesanti e costose. L’alternativa è rappresentata da una cella a combustibile miniaturizzata, con una durata superiore a quella di una batteria Ni-Cd e senza bisogno di ricarica, in quanto basta rimpiazzare in modo rapido il combustibile. Il pregio di una rapida sostituzione del combustibile rende tali celle anche vantaggiose rispetto alle batterie ricaricabili, che spesso vengono confrontate con questa nuova tecnologia. Esse infatti abbisognano tempi di ricarica non brevi. Un altro vantaggio potenziale delle celle a combustibile è dato dai costi. Una batteria Ni-Cd da 20 W possiede una massa di 0.5 kg, dura un’ora e costa 20 $. Una batteria ricaricabile a ioni di litio fornisce la stessa potenza per circa tre ore, ma costa almeno quattro volte di più. Per contro una cella a combustibile alimentata a metanolo potrebbe durare 30 ore e costare appena 2-5 $! Tuttavia la produzione in massa di una cella a combustibile a costi contenuti rappresenta tutt’oggi un’impresa a dir poco formidabile. Numerosi problemi tecnici devono ancora essere risolti. Prima di tutto c’è da tenere conto dei collegamenti in serie di molte celle elementari e dei sottosistemi necessari per immagazzinare e controllare l’alimentazione del combustibile e dell’ossigeno. La scelta del combustibile è cruciale per tutto lo sviluppo del progetto. L’idrogeno non può essere facilmente utilizzato per prodotti di consumo. In alternativa si possono usare idruri metallici (per esempio il palladio) che hanno la proprietà di assorbire idrogeno gassoso a 0°C, o i più economici idruri organici liquidi (per esempio la declina C10H18). Da molte ricerche è emerso che il metanolo (=CH3OH), ricco di idrogeno, è la forma chimica migliore. Fonti:     www.enea.it, www.enel.it, www.energoclub.it, www.greencrossitalia.it Inizio pagina Copyright © Energia & Ecologia di Borkunov Sergey. Tutti i diritti riservati.