L'economia verde dell'idrogeno del futuro
Un tema del futuro è la generazione di energia con l'idrogeno. In particolare, l'idrogeno verde, prodotto utilizzando energia da fonti rinnovabili, ha un grande potenziale. Esistono oggi molte nuove tecnologie per produrre, trasportare e utilizzare questo vettore energetico.
L'idrogeno verde è estremamente importante per raggiungere gli obiettivi di Parigi in materia di protezione del clima. Viene prodotto con la tecnologia power-to-gas. In questo processo, l'idrogeno verde viene prodotto per elettrolisi utilizzando energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili come il vento o il sole. Ciò significa che l'idrogeno verde è privo di CO².
Le tecnologie dell'idrogeno comprendono varie applicazioni meccaniche o chimiche per l'utilizzo dell'idrogeno. Il loro scopo è quello di contribuire a ridurre i gas dannosi per il clima, come l'anidride carbonica o il metano. I campi di applicazione vanno dalla produzione industriale all'utilizzo nel trasporto merci e nel traffico, fino alla generazione di elettricità e calore. Inoltre, le energie rinnovabili possono essere immagazzinate in modo flessibile con l'aiuto delle tecnologie dell'idrogeno.
Tecnologie per la produzione di idrogeno
L'idrogeno verde deve essere prodotto mediante elettrolisi. Esistono diversi tipi di elettrolisi, ma un elettrolizzatore è sempre costituito da diverse celle di elettrolisi disposte in fila. L'energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili viene quindi utilizzata per forzare una reazione redox e scindere l'acqua nei suoi singoli componenti, ossigeno e idrogeno. L'idrogeno può poi essere immagazzinato in varie forme.
Secondo la brochure Hydrogen Technologies dell'Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS, l'elettrolisi ad alta temperatura è in particolare una "tecnologia chiave per la produzione efficiente di idrogeno e gas di sintesi". Offre diversi vantaggi rispetto agli elettrolizzatori alcalini e PEM. Ad esempio, il processo non richiede componenti in acciaio inossidabile e consente la produzione diretta di gas di sintesi. Nell'elettrolisi ad alta temperatura con l'elettrolisi dell'ossido solido (SOE), durante i processi di conversione si raggiungono temperature superiori a 750 gradi Celsius. L'elettrolita è utilizzato come materiale ceramico solido che separa le due semicelle. L'acqua entra poi nelle camere di reazione sotto forma di vapore.
Oltre all'elettrolisi ad alta temperatura, esistono anche l'elettrolisi alcalina e l'elettrolisi a membrana a scambio protonico. L'elettrolisi alcalina (AEL) è attualmente il processo di elettrolisi più utilizzato, poiché i costi di investimento sono bassi e la tecnologia è stabile a lungo termine. L'AEL utilizza un elettrolita liquido conduttore di OH.
L'elettrolisi a membrana a scambio di protoni (PEM) funziona a basse temperature ed è una tecnologia relativamente nuova. L'idrogeno può essere estratto dalle acque industriali e minerarie. Il processo Rodosan è stato sviluppato a questo scopo presso il Fraunhofer IKTS. Il vantaggio del PEM è che può reagire rapidamente alle fluttuazioni dell'energia aggiunta e ha un buon comportamento al cambio di carico. L'idrogeno viene separato come prodotto di reazione utilizzabile durante il trattamento elettrochimico dell'acido solforico e dell'acqua priva di solfati nelle celle di elettrolisi a membrana.
Tecnologie a bassa emissione di CO2 per l'utilizzo dell'idrogeno
Come gas di processo per la produzione di prodotti di base e di valore, l'idrogeno verde può garantire l'assenza di emissioni di CO². Questo perché il minerale di ferro deve essere convertito in ghisa per produrre acciaio. A questo scopo si utilizza il coke nel processo dell'altoforno. Per rendere questo processo quasi neutrale dal punto di vista climatico (riduzione di CO² superiore al 95%), è possibile utilizzare l'idrogeno al posto del gas naturale nei processi di riduzione diretta. Secondo il Fraunhofer IKTS, l'elettrolisi ad alta temperatura è il metodo più adatto. Il calore di scarto esistente può essere utilizzato efficacemente e il gas di sintesi prodotto.
L'elettrolisi ad alta temperatura è adatta anche per la sintesi dell'ammoniaca. Attualmente per questo processo viene utilizzato il gas naturale, che produce grandi quantità di CO². Se le emissioni di CO² sono inevitabili, è possibile utilizzarle come fonte di carbonio. Ad esempio, si possono ottenere cere per l'industria cosmetica o carburanti per l'aviazione. La sintesi di Fischer-Tropsch è adatta a produrre prodotti contenenti carbonio da CO² e idrogeno. Tuttavia, affinché questa tecnologia sia particolarmente efficace ed efficiente, deve essere accoppiata al processo di (co-)elettrolisi. Il processo di co-elettrolisi produce gas di sintesi, che rende particolarmente efficiente la produzione di prodotti chimici.
L'idrogeno verde serve anche come fonte di energia nei settori dell'elettricità, del calore e della mobilità. Le caldaie a gas naturale negli edifici possono teoricamente essere alimentate con idrogeno. Nella generazione di energia elettrica, l'idrogeno può essere convertito in elettricità mediante celle a combustibile che utilizzano la riconversione. Ciò avviene con una combustione a freddo, in cui viene provocata una reazione tra ossigeno e idrogeno all'interno della cella a combustibile. Il prodotto di scarto della tensione elettrica risultante è l'acqua, per cui non vengono prodotte emissioni. Nel settore dei trasporti, i veicoli, le navi e i treni alimentati a idrogeno sono un buon complemento ai veicoli elettrici. Anche i carburanti sintetici a base di idrogeno possono essere utilizzati, in particolare nell'aviazione e nel trasporto pesante.
Nell'ambito del progetto carinziano "H2 Carinthia", l'idrogeno verde verrà utilizzato addirittura due volte: nella produzione industriale di microchip presso Infineon e poi per il rifornimento dei mezzi di trasporto. L'idrogeno verde viene disaccoppiato dopo la produzione e alimentato a un impianto PSA (pressure swing absorption) presso la stazione di rifornimento idrico, dove viene purificato per essere utilizzato nei trasporti. Nel dicembre 2022, i primi cinque autobus alimentati con idrogeno verde riciclato sono già stati lanciati sulla rete di trasporto pubblico della Carinzia.
Tecnologie per lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno verde
Per rendere l'idrogeno trasportabile e utilizzabile altrove, è necessario stoccarlo. Si tratta di una sfida importante, poiché si tratta di una sostanza chimica leggera e piuttosto volatile. L'idrogeno può essere stoccato in vari stati di aggregazione, in serbatoi fuori terra o nel sottosuolo. In forma liquida, l'idrogeno viene immagazzinato a temperature estremamente basse (meno 553 gradi Celsius) in serbatoi criogenici isolati, il che significa che si perde molta energia. I serbatoi criogenici devono essere isolati molto bene per evitare che l'idrogeno evapori.
L'idrogeno viene stoccato in forma gassosa in serbatoi pressurizzati o in caverne sotterranee. Questo tipo di stoccaggio è il più utilizzato perché garantisce una buona mobilità. Gli impianti di stoccaggio in caverna, in particolare, hanno un elevato volume di stoccaggio. Inoltre, non è necessario sigillare nuove aree. Esistono anche impianti di stoccaggio di idruri metallici, in cui molto idrogeno è immagazzinato in strutture reticolari metalliche solide (ad esempio metalli o carbonio) e può essere rilasciato nuovamente mediante riscaldamento. Tuttavia, il trasporto è reso più difficile a causa dell'elevato peso morto. L'idrogeno può anche essere assorbito in supporti liquidi come l'olio (supporto organico liquido per l'idrogeno). Tuttavia, si perde molta energia a causa dei catalizzatori.
L'idrogeno immagazzinato viene poi trasportato, ad esempio, su camion, navi o treni. Tuttavia, per essere rispettosi del clima, i mezzi di trasporto devono essere elettrici o alimentati con idrogeno verde. L'idrogeno può anche essere trasportato in gasdotti esistenti o nuovi. L'infrastruttura del gas naturale è di particolare interesse in questo caso. L'idrogeno può essere aggiunto al gas naturale in determinate proporzioni. Presso il Parco Chimico di Bitterfeld-Wolfen si stanno testando anche tubi in polietilene e tubi compositi metallo-plastica per il trasporto dell'idrogeno.
Fonte: www.ntv.de
