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OrizzontEnergia

Idrogeno

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EnergiaEnergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
prodotta dall'idrogenoidrogeno
Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell'acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l'idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell'idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell'aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).

 

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'E' L'IDROGENO

Div/1 EN/3 FONTI/IDROG/IDR_Div1_H2.jpgL'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%. E un discorso analogo vale 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 carboniocarbonio
Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell'atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante.
ed all'ossigeno, forma i composti organici (carboidrati, proteine, lipidi, ecc.) che sono i costituenti fondamentali del mondo vegetale ed animale.

L'atomoatomo
È il costituente fondamentale della materia, che ne conserva le caratteristiche chimiche e fisiche. Più atomi si legano tra loro per formare aggregati più complessi, ovvero le molecole. L'atomo è costituito da un nucleo, contenente cariche positive e cariche neutre, dove si concentra quasi tutta la sua massa. Tale nucleo, che costituisce il "cuore" dell'atomo è circondato da una nube di elettroni (cariche negative) distribuiti a strati. Le forze che legano gli atomi sono di natura elettrica.
dell'idrogeno è costituito da un nucleonucleo
È il "cuore" dell'atomo, la parte dove si concentra la quasi totalità della massa. Il nucleo è costituito da protoni (particelle dotate di carica positiva) e neutroni (particelle non caricate elettricamente).
, composto da un solo protoneprotone
Particella di carica positiva che, insieme ai neutroni, costituisce il nucleo degli atomi. Ha una massa 1836 volte più grande di quelle dell'elettrone, ma carica opposta.
, intorno al quale si muove un solo elettroneelettrone
Particella di carica negativa che costituisce, insieme agli elettroni e ai neutroni, l'atomo. È la particella subatomica di gran lunga più leggera e più piccola, che si muove attorno al nucleo. La sua massa è 1836 volte più piccola di quelle del protone. La sua carica viene definita "carica elementare" , nel senso che la carica di tutte le particelle è sempre un multiplo della carica dell'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.

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 combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
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 elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
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 rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
. 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 calorificopotere calorifico
Il potere calorifico è definito come il calore prodotto dalla combustione di una quantità unitaria di combustibile e si distingue tra potere calorifico superiore (pcs) e potere calorifico inferiore (pci). È misurato in genere in kcal/kg per i combustibili liquidi e solidi, e in kcal/m3 per i gas.
per unità di peso. Pertanto, per determinate applicazioni, le tecnologie di distribuzionedistribuzione
Attività di trasporto (di elettricità o di gas) agli utilizzatori finali attraverso le reti 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 idrocarburiidrocarburi
Composti chimici formati da carbonio e idrogeno che costituiscono il petrolio e il gas naturale. Esistono diverse classificazioni degli idrocarburi a seconda dei legami chimici presenti nelle molecole.
), 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 naturalegas naturale
Idrocarburo che ha un'origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un'alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
, l’ossidazione parziale degli oli residui, la gassificazionegassificazione
La gassificazione è un processo utilizzato a livello industriale da molto tempo (i primi sistemi risalgono addirittura alla prima metà dell' '800), tutt'oggi oggetto di continui miglioramenti. Essa consiste nella trasformazione di un combustibile solido o liquido in un gas combustibile (syngas), ricco di elementi incombusti (CO e H2), a seguito di complesse reazioni chimiche di 'ossidazione parziale'. Questo significa che si 'blocca' il processo a metà tra la fase di pirolisi (rottura dei legami chimici ad alta temperatura in assenza di ossigeno) e quella di combustione.
del carbonecarbone
Il carbone è una roccia sedimentaria composta prevalentemente da carbonio, idrogeno e ossigeno. La sua origine, risalente a circa 300 milioni di anni fa, deriva dal deposito e dalla stratificazione di vegetali preistorici originariamente accumulatisi nelle paludi. Questo materiale organico nel corso delle ere geologiche ha subito delle trasformazioni chimico-fisiche sotto alte temperature e pressioni. Attraverso il lungo processo di carbonizzazione questo fossile può evolvere dallo stato di torba a quello di antracite, assumendo differenti caratteristiche che ne determinano il campo d'impiego.
I carboni di formazione relativamente più recente (ovvero di basso rango) sono caratterizzati da un'elevata umidità e da un minore contenuto di carbonio, quindi sono 'energeticamente' più poveri, mentre quelli di rango più elevato hanno al contrario umidità minore e maggiore contenuto di carbonio.
e l’elettrolisielettrolisi
È un processo che utilizza energia elettrica per rompere i legami chmici delle molecole facendo avvenire una reazione che, in natura, non avverrebbe spontaneamente. Le sostanze sottoposte ad idrolisi vengono scomposte nei loro elementi costitutivi. L'etimolgia della parola deriva dal greco e significa "rottura con l'elettricità".
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

Idrogeno

Il gas naturale, immesso in un reattore chimico denominato reformer, reagisce con vapor d'acqua ad alta temperatura. A seguito della reazione parte del carbonio presente nel metanometano
Idrocarburo che rappresenta il costituente principale del gas naturale.
(e negli altri idrocarburi presenti in quantità minore) si lega con parte dell'ossigeno presente nell'acqua, generando biossido di carbonio biossido di carbonio
(CO2)

Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosferaatmosfera
Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).
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 catalizzatoricatalizzatori
Sostanze che intervengono durante le reazioni chimiche per favorire la selettività verso un prodotto piuttosto che un altro oppure per velocizzare i tempi. I catalizzatori prendono parte alle reazioni e si ritrovano poi inalterati alla fine del processo, anche se nel corso del tempo diminuiscono la loro efficienza.
ed aumentando il flusso di vapor d'acqua.

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 rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
energetico intorno al 65%.

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 anidride carbonica
(CO2)

Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).
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 nuclearenucleare
Forma di energia derivante dai processi che coinvolgono i nuclei atomici (fissione e fusione).
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 solareenergia solare
Energia radiante derivante dal Sole e che raggiunge la Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. Ad oggi esistono fondamentalmente due modi per sfruttare l'energia solare direttamente: attraverso i pannelli solari (per la produzione di energia termica ed elettrica), pannelli fotovoltaici (per la produzione di energia elettrica). L'energia dal Sole è fondamentale anche per lo sviluppo delle altre forme di energia rinnovabili (per esempio per la crescita della biomassa, per i moti dei venti, per il ciclo idrologico delle acque, ecc..).
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 fotovoltaicoimpianto fotovoltaico
Impianto per la produzione di elettricità che sfrutta l'energia del sole grazie ai pannelli fotovoltaici, generalmente di silicio. All'interno del pannello si genera un circuito elettrico in corrente continua, dovuta all'effetto fotovoltaico, secondo cui quando i fotoni (che costituiscono la radiazione solare) raggiungono una cella FV vanno ad eccitare alcuni elettroni del materiale di cui è costituita la cella. Tali elettroni, trovandosi ad un livello energetico superiore, "sfuggono" dalla loro posizione originaria e creano una corrente.
, 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.

 

COME SI UTILIZZA

In campo energetico l'idrogeno può essere utilizzato essenzialmente attraverso due processi di conversioneprocessi di conversione
Insieme dei processi che avvengono in raffineria e che permettono di ottenere le frazioni leggere del petrolio a partire da quelle pesanti. I principali processi di conversione sono il cracking, il visbreaking , il coking (per la produzione di petcoke) e la gasificazione dei residui di raffineria. In un contesto generale il termine indica, comunque, tutti i processi (chimici o fisici) che comportano la trasformazione di una determinata materia prima per scopi prefissati.
: 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 azotoazoto
Elemento chimico costituente il 78% dell'aria in volume. L'uso commerciale più diffuso dell'azoto è nella produzione di ammoniaca, sostanza costituente dei fertilizzanti. L'azoto liquido è impiegato anche come refrigerante per il trasporto di alimenti.
) 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 derivatiderivati
Prodotti finanziari il cui valore deriva dall'andamento del valore di una determinata attività (definita "sottostante del prodotto derivato"). I derivati vengono utilizzati principalmente con finalità di copertura dal rischio oppure con finalità di speculazione (intesa nel senso di esposizione ad un rischio per ricavare profitto).
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 scambioscambio
Scambio tra energia elettrica immessa ed energia elettrica prelevata, nel caso in cui l'immissione e il prelievo avvengono in momenti differenti.
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 inertiinerti
Scarti provenienti da demolizioni edilizie.
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.

I tipi che hanno avuto un certo sviluppo e che sono arrivati ad una sensibile maturazione industriale sono:

-Celle alcaline o AFC

-A membrana polimerica o PEM

-Ad acido fosforico o PAFC

-A 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.

Div/1 EN/3 FONTI/IDROG/IDR_Div4_PEM.jpg

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 potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
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 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
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, GPLGPL
Miscela di idrocarburi gassosi, principalmente butano e propano derivanti dalla raffinazione di petrolio e gas naturale. Il GPL si presenta in forma gassosa a temperatura e pressione ambiente, mentre si presenta in forma liquida a temperatura ambiente se sottoposto a lievi pressioni. Questo è il motivo per cui il trasporto e lo stoccaggio del GPL sono agevoli, sia in forma gassosa attraverso reti urbane, sia in bombole o su carri cisterna. È caratterizzato da una grande versatilità d'uso, ma è normalmente più costoso del metano. È utilizzato per scopi di riscaldamento laddove non esiste una rete di metano capillare ed anche per scopi di autotrazione.
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 scaricoscarico
Qualsiasi immissione di acque reflue in acque superficiali, sul suolo, nel sottosuolo e in rete fognaria, indipendentemente dalla loro natura inquinante, anche sottoposte a preventivo trattamento di depurazione. Sono esclusi i rilasci di acque previsti all'art. 114 (rilasci da diga).
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 generatoregeneratore
Dispositivo che traforma l'energia meccanica in energia elettrica.
diretto di vapore, un bruciatorebruciatore
Sistemi che miscelano e dirigono il flusso di combustibile e aria comburente in modo da innescarne la combustione. Esistono diversi tipi di bruciatori. Essi vengono installati opportunamente all'interno della camera di combustione dei generatori di vapore per poter raggiungere le migliori condizioni di combustione riducendo le emissioni.
derivato dalla tecnologia aerospaziale che consente la produzione di vapore a temperatura molto superiore a quella conseguibile con una caldaiacaldaia
Dispositivo in cui l'energia chimica posseduta da un combustibile viene trasformata in calore attraverso un processo di combustione. Il calore ottenuto generalmente assolve compiti di riscaldamento oppure viene impiegato per produrre vapore (in questo caso si parla di generatore di vapore).
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

- Elevate affidabilità (non ci sono parti in movimento che hanno una maggiore probabilità di rompersi)

- Basso impatto ambientaleimpatto ambientale
L'insieme degli effetti (diretti e indiretti, nel breve o nel lungo termine, positivi o negativi, ecc..) che l'avvio di una determinata attività ha sull'ambiente naturale circostante.

- 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 particolatoparticolato
Insieme delle sostanze sospese in aria, composto da tutte quelle particelle solide e liquide che si disperdono in atmosfera a causa di fattori naturali (pollini, erosione di rocce, polvere cosmica, ecc..) e di fattori antropici (traffico urbano, emissioni da riscaldamento domestico, fumo di tabacco, centrali termoelettriche, ecc..).
)

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 propanopropano
Idrocarburo gassoso incolore e inodore, prodotto dalla raffinazione del petrolio greggio, che costituisce uno dei componenti principali del GPL. Il propano liquefa abbastanza facilmente, per questo viene stoccato in bombole ed utilizzato per usi domestici. La sua pericolosità sta nel fatto che è facilmente infiammabile (infatti ha un limite di infiammabilità molto basso in aria). Per evidenziarne la presenza, quindi, viene odorizzato.
. 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.

 

Fonte: H2 - Forum Italiano dell’Idrogeno

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