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Perché l'idrogeno è rivoluzionario come mezzo di stoccaggio dell'energia
Con 33,3 kWh/kg, l’idrogeno ha la più alta densità energetica specifica di massa di tutti i combustibili. Questa straordinaria proprietà lo rende il candidato ideale per la mobilità sostenibile e l’accumulo di energia nella transizione energetica. Tuttavia, la sua applicazione pratica richiede soluzioni di stoccaggio innovative che siano sicure ed efficienti.
Lo stoccaggio convenzionale dell'idrogeno e i suoi limiti
Lo stoccaggio convenzionale dell’idrogeno si basa su due processi consolidati, che pongono entrambi notevoli sfide tecniche ed economiche.
Stoccaggio criogenico (idrogeno liquido):
- Temperatura: -253°C (20 K)
- Densità: 71 kg/m³
- Perdita di energia per liquefazione: 30% dell’energia immagazzinata
- È necessario un raffreddamento continuo
- Sono necessari sistemi di isolamento altamente specializzati
- Costi operativi elevati a causa del consumo costante di energia
Stoccaggio di gas sotto pressione:
- Pressione dell’accumulatore: fino a 700 bar
- Perdita di energia dovuta alla compressione: circa il 12%.
- Sono necessari contenitori pesanti e resistenti alla pressione
- Densità energetica pratica ridotta a causa del peso del serbatoio
- Alti costi di investimento per i sistemi di compressione
Problemi di sicurezza comuni a entrambi i processi:
Grazie alle sue piccole dimensioni molecolari, l’idrogeno ha una velocità di diffusione eccezionalmente elevata e può penetrare in quasi tutti i materiali. Poiché l’idrogeno non è legato chimicamente, si presentano i seguenti rischi:
- Perdite continue di gas dovute alla diffusione del materiale
- Possibilità di rilascio incontrollato di gas
- Rischio di esplosione con una concentrazione di idrogeno nell’aria del 4-75%.
- Perdite difficili da rilevare (incolore e inodore)
- L’alta velocità di combustione rende più difficili le misure di sicurezza
Stoccaggio basato sull'assorbimento con MOF e idruri metallici
Le strutture metallorganiche (MOF), gli idruri metallici e le zeoliti offrono un approccio alternativo al legame meccanico dell’idrogeno attraverso l’assorbimento. Questi materiali riducono significativamente il rischio di diffusione e aumentano la sicurezza. Tuttavia, la maggior parte degli idruri metallici presenta rapporti metallo-idrogeno sfavorevoli e tassi di assorbimento e rilascio lenti. Un’eccezione degna di nota è il sistema nichel-metallo idruro, che ha già ottenuto un’ampia accettazione per lo stoccaggio dell’idrogeno grazie alla sua applicazione di successo nella tecnologia delle batterie.
Tecnologia LOHC: la svolta nello stoccaggio dei liquidi
I vettori organici liquidi di idrogeno (LOHC) come il dibenziltoluene (DBT) stanno rivoluzionando lo stoccaggio dell’idrogeno. Questo liquido non tossico e ignifugo può assorbire l’idrogeno con un catalizzatore di rodio a condizioni moderate di 200°C e 5 bar. Il perossido-DBT risultante immagazzina 600 litri di idrogeno gassoso per litro di liquido, il che corrisponde a un’impressionante capacità di stoccaggio di 2 kWh/kg. Il rilascio avviene a 300°C e a pressione ridotta. I sistemi LOHC raggiungono tassi di assorbimento e rilascio significativamente più elevati rispetto agli stoccaggi solidi, pur mantenendo i vantaggi dei bassi tassi di diffusione.
Immagazzinamento chimico dell'idrogeno attraverso il legame molecolare
Il legame chimico dell’idrogeno con altre molecole offre un altro promettente approccio allo stoccaggio. L’esempio più noto è la sintesi di Haber-Bosch, che produce oltre 200 miliardi di tonnellate di ammoniaca ogni anno. Questa reazione avviene a 450°C e 200 bar utilizzando catalizzatori di ferro e raggiunge un contenuto energetico di 5,2 kWh/kg, che corrisponde a un’efficienza del 63%. Sebbene l’ammoniaca sia più facile da maneggiare rispetto all’idrogeno gassoso, presenta gli svantaggi della tossicità e della corrosività. In alternativa, altri gas come il metano possono essere sintetizzati dalla gassificazione del carbone, dove la biomassa o il carbone vengono trattati con vapore ad alte temperature.
Metodi analitici per la caratterizzazione dei materiali di stoccaggio
L’analisi termica è lo strumento più importante per analizzare i materiali di stoccaggio dell’idrogeno. Gli analizzatori di assorbimento gravimetrici e volumetrici, le termobilance ad alta pressione (TGA) e la calorimetria a scansione differenziale (DSC) possono essere utilizzati per caratterizzare con precisione i processi di assorbimento e desorbimento. Questi sistemi consentono di determinare il calore di assorbimento e desorbimento in condizioni controllate di flusso di gas, pressione e vuoto. In particolare nella gassificazione del carbone, i sistemi TG-DSC ad alta pressione consentono di misurare simultaneamente l’efficienza della gassificazione, il contenuto di carbonio e il calore di reazione in un unico test.
Prospettive future per la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno
Lo sviluppo di tecnologie efficienti per lo stoccaggio dell’idrogeno rimane una sfida fondamentale per il successo della transizione energetica. I sistemi LOHC mostrano proprietà particolarmente promettenti per le applicazioni mobili, mentre per lo stoccaggio stazionario si stanno ottimizzando materiali di assorbimento migliori. Il continuo sviluppo di queste tecnologie sarà decisivo per affermare l’idrogeno come vettore energetico pulito e praticabile del futuro, dando così un importante contributo a un approvvigionamento energetico sostenibile.
