L’Idrogeno prodotto per scissione dell’acqua in Idrogeno e Ossigeno, deve essere separato e immagazzinato, per utilizzare l’energia immagazzinata, tramite le celle a combustibile (fuel cell), in elettricità.
La soluzione di Immagazzinare l’Idrogeno mediante compressione, in modo da trasformare il gas in liquido che deve essere conservato ad alta pressione e bassa temperatura, è poco efficiente oltre che complesso da realizzare; temperatura di -253°C, pressione compresa tra 5000 e 10000 psi.
Gli studi più recenti si concentrano sulla scissione dell’acqua nei suoi due componenti, H2 e O2, con l’utilizzo di catalizzatori, immersi nell’acqua, senza ricorrere ai pannelli fotovoltaici per la produzione dell’elettricità necessaria alla elettrolisi.
All’inizio degli anni settanta, con la scoperta dell’effetto “Honda-Fujishima”, si dimostrò la capacità del biossido di Titanio (TiO2), di comportarsi da catalizzatore favorendo la scissione dell’acqua nei suoi elementi.
La scoperta che un tipo di ruggine, chiamata α-FeOOH, sottoposta all’irraggiamento di una lampada “Hg-Xe” (Mercurio – Xeno), ha un’efficienza 25 volte superiore al biossido di Titanio (TiO2), inoltre l’utilizzo di α-FeOOH, richiede l’intervento dell’Ossigeno con la formazione di acqua/metanolo, opponendosi alla tendenza, dei due gas, di ricombinarsi in modo violento.
Dalla scoperta “Honda-Fujishima”, la ricerca di composti capaci di scindere l’acqua in presenza di radiazione luminosa è proseguita e continua tuttora.
l’utilizzo di pannelli solari associati alla peroscovite https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite, per scindere l’acqua con l’ulteriore vantaggio di poter facilmente separare l’Idrogeno dall’ossigeno, ha raggiunto e superato la resa del 20%, rapporto costo/rendimento conveniente.
la produzione di elettricità mediante le celle a combustibile senza l’utilizzo del costoso Platino, utilizzato come catalizzatore, sono punti cruciali per diffondere l’utilizzo dell’idrogeno come fonte primaria di energia.
Per immagazzinare l’Idrogeno senza doverlo liquefare e mantenerlo liquido con la pressione e bassa temperatura, gli studi attuali sono orientati sui nanotubi di Carbonio arricchiti di elementi come il Rodio o altri idruri metallici.
Distribuzione dell’Idrogeno per usi domestici e industriali.
L’utilizzo di idrocarburi (CH4 - metano), come combustibile e aria come comburente, si avrà come risultato dell’ossidazione: H2O, CO, CO2 e ossidi di Azoto.
Con l’intento di diminuire la produzione di CO2, secondo gli accordi di Parigi riguardo la “decarbonizzazione”, le società del settore energetico, stanno spostando gli investimenti sulla produzione di Idrogeno, che aiuterà ad abbassare l’effetto serra dovuto all’anidride carbonica; dalla combustione con aria dell’idrogeno si avrà H2O e ossidi di Azoto.
Con le celle combustibili, si eliminerebbero anche gli ossidi di azoto, ottenendo energia elettrica, riutilizzabile attraverso un inverter che trasforma la tensione continua, ottenuta dalle celle combustibili, in tensione alternata, utilizzabile nelle nostre abitazioni.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell
Il gruppo Equinor, ha iniziato la costruzione di una rete di distribuzione, stoccaggio e vendita dell’Idrogeno prodotto con sistemi eolici “Off Shore”, adeguando il sistema di distribuzione già in uso per il gas metano.
Equinor joins Europeﾒs biggest green hydrogen project, the NortH2-project - equinor.com
Entro la fine del 2022, il gruppo SGN, porterà l’idrogeno in 300 case di Inghilterra.
SGN wins Ofgem funding to launch pioneering H100 Fife hydrogen project | SGN
La produzione e stoccaggio dell’Idrogeno con relativa distribuzione tramite idrogenodotto (conduttura sotterranea), che arriva direttamente nelle industrie e nelle case, non è una novità, si conosce un primo utilizzo in Valle d’Aosta (Italia) nel 1930, e un ulteriore tentativo, sempre in Italia, nel 2008 ad Arezzo.
Ricercando in internet la frase: “Idrogeno dal sole” oppure “Rubbia Idrogeno dal sole”, si raggiungono molti siti che si occupano di questi studi da oltre un decennio.
L’acqua portata a una temperatura superiore ai 2000°C, si scompone nei suoi elementi costitutivi, H2, H, O2, O e OH.
Con l’utilizzo di opportuni catalizzatori, la scissione dell’acqua in Idrogeno e Ossigeno, può avvenire a temperatura inferiore; per evitare che i componenti si ricombinino formando nuovamente acqua.
La separazione dell’Idrogeno dall’Ossigeno, avviene per mezzo di membrane ceramiche.
I raggi solari concentrati tramite degli specchi su un tubo, in cui scorre NaCl liquido, o concentrati in cima una torre dove si trova il collettore di calore (Solar Water Cracker), producono il calore necessario per la termolisi dell’acqua.
Parte del vapore, ottenuto riscaldando l’acqua, è inviato alle turbine per produrre l’elettricità necessaria per far funzionare tutto l’impianto.
Utilizzo di ossidi metallici come catalizzatore
Gli ossidi surriscaldati si riducono liberando Ossigeno, lasciando un composto metallico, che ha subito una riduzione
.In presenza di alta temperatura e vapore d’acqua, gli ossidi “ridotti”, catturano l’ossigeno dell’acqua, ossidandosi con la formazione di ossidi, liberando l’idrogeno che è raccolto e stoccato.
Modulo NPM (Nuscale Power Module), basato sul sistema HTSE, (High Temperature Steam Elettrolysys), ogni modulo produce 250 MW di calore o 77 MW di elettricità, con produzione di 2,053 kg/hour di Idrogeno, equivalente a 50 tonnellate metriche (unità di peso equivalente a 1000 kg).
Il vapore è surriscaldato a 860°C utilizzando una piccola parte dell’energia prodotta dal sistema stesso per innalzare la temperatura del vapore da 300° a 860°C; l’acqua che si è scomposta in Idrogeno e Ossigeno, è ricombinata per ottenere l’energia per l’elettrolizzatore.
I moduli NPM, producono e stoccano l’Idrogeno, funzionano in qualsiasi condizione di tempo e in ogni ora della giornata, contribuiscono a ridurre la quantità di CO2 di 168.000 tonnellate annue, rispetto ai sistemi di produzione di Idrogeno che utilizzano idrocarburi, come il metano, sottoposto a reforming catalitico; metano e vapore sottoposti ad alta pressione in presenza di Nickel, con formazione di H2, CO e una piccola quantità di CO2.
SoCalGas
https://en.wikipedia.org/wiki/Southern_California_Gas_Company
il termine “Blendig Hidrogen”, indica la distribuzione dell’Idrogeno sfruttando la rete di distribuzione del gas naturale esistente sul territorio.
La società SoCalGas sta sperimentando la tecnica Blendig Hidrogen, immettendolo nelle condutture di distribuzione del gas naturale che rifornisce le stazioni di rifornimento di gas per autotrazione; l’Idrogeno ottenuto è compresso e stoccato, in prossimità della stazione di rifornimento con la tecnologia EHPC, per essere distribuito ai mezzi dotati di celle a combustibile.
La tecnologia, EHPC (Elettrochemical Hydrogen Purification and Compression), applica una corrente elettrica alla membrana selettiva che lascia passare solo l’Idrogeno, ma impedisce il passaggio del metano; le membrane sono prodotte dalla società “HyET Hydrogen USA”.
https://hyethydrogen.com/news/compression-in-one-single-stage/
Venti anni dopo, una conferenza organizzata dal CCR di Ispra (Va) riguardo la produzione e distribuzione di idrogeno prodotto con l’energia derivata dalle centrali idroelettriche del Canada, la società “ThyssenKrupp”, si è aggiudicato l’appalto indetto da Hydro-Quebec, per costruire e gestire una struttura per la produzione dell’Idrogeno, nei pressi di Montreal.
La possibilità di immagazzinare l’eccesso di energia prodotta dai pannelli fotovoltaici, per riutilizzarla quando non c’è il sole, trasformandola in Idrogeno piuttosto che immagazzinarla in batterie al Litio, è una alternativa offerta dalla società australiana Lavo.
La soluzione proposta, utilizza una spugna catalitica per scindere l’acqua in Idrogeno e Ossigeno; la spugna catalitica oltre che dissociare l’acqua, immagazzina l’Idrogeno rilasciando Ossigeno nell’ambiente.
L’apparecchiatura immagazzina 40 KWh di energia, sotto forma di Idrogeno gassoso, che è riutilizzato tramite celle a combustibile, con un rendimento totale dell’80%; il sistema ha una batteria al Litio di 5KWh per un rapido utilizzo della energia immagazzinata.
Rispetto la batteria al Litio, la società vanta un minor ingombro e una durata trentennale della apparecchiatura, circa il doppio delle batterie di ultima generazione e non ci sono metalli tossici da smaltire.
L’istituto Tedesco “Fraunhofer for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM” in Dresden, ha ideato un sistema a base di “Idruro di Magnesio”, pensato per i piccoli veicoli, equipaggiati con celle a combustibile, chiamato “Powerpaste”, distribuito mediante la sostituzione di cartucce alla stazione di rifornimento, contestualmente al riempimento del serbatoio d’acqua.
il Powerpaste, è costituito di Magnesio fatto reagire con Idrogeno alla temperatura di 350°C a 6 atmosfere di pressione, in presenza di un catalizzatore metallico con formazione di idruro di Magnesio; all’Idruro di Magnesio è aggiunta una resina per formare l’impasto viscoso, che è stabile, senza decomporsi, fino alla temperatura di 250 °C , pertanto facilmente stoccabile senza dover ricorrere a costose infrastrutture.
Per liberare l’Idrogeno contenuto nell’impasto, sotto forma di idruro, la pasta è estrusa tramite uno stantuffo, in un serbatoio contenente acqua, che, in presenza di Magnesio, si dissocia, fornendo altro Idrogeno; la quantità di gas d’Idrogeno, è controllata dinamicamente in funzione della necessità dell’attuatore (cella a combustibile).
La densità di energia immagazzinata è 10 volte maggiore dell’energia stoccata in una batteria al Litio a parità di peso, volume e ingombro, la quantità di Idrogeno è maggiore di quella contenuta in un serbatoio a 700 bar; l’autonomia è comparabile a quella ottenuta con un equivalente serbatoio di benzina.
Una lega di Alluminio, Gallio e Cobalto (AlGalCo), posti sul fondo di contenitori di acciaio inossidabile sui quali è fatta gocciolare l’acqua di rubinetto, contenuta in appositi serbatoi.
L’acqua, in contatto con la lega AlGalCO, si decompone sviluppando Idrogeno e Ossigeno; i due gas, già in proporzione stechiometrica, sono inviati direttamente nel carburatore del veicolo.
Hydrogen Council 2021
Con la convinzione che l’Idrogeno avrà un ruolo chiave per la transizione energetica, svincolata dalle fonti che producono CO2 , difficile da eliminare(decarbossilazione).
A Brussel il 17 febbraio 2021, si è tenuto l’incontro con i rappresentanti di 30 stati, per programmare la produzione e l’utilizzo di Idrogeno, ottenuto da fonti “green”, che non impattano sull’ambiente .
il sistema elettrolitico ad alta pressione, E-TAC, scinde l’acqua in Idrogeno e Ossigeno, con un’efficienza del 95%, consumando 39,9 kWh di energia per ogni Kg di H2 prodotto.
Nel 2023, la società H2PRO, che detiene il brevetto, fornirà Idrogeno a 2 dollari al Kg, dichiarando che il prezzo scenderà sotto un dollaro al Kg entro il 2030, anticipando di un ventennio le previsioni.
Attualmente è possibile reperire Idrogeno sporco ( gray or dirty hydrogen) ottenuto con il processo di reforming del Metano, a circa 1,80 dollari al Kg; questo sistema emette CO2 carbonica nell’atmosfera, aumentando l’effetto serra.
E-TAC (Electrochemical - Thermally - Activate - Chemical)
Electrochemical:
Nella prima fase l’elettrolisi avviene a 25°C, in presenza di Cobalto:
H2O H2 (al catodo) + OH- (ossida l’anodo di Ni(OH)2 trasformandolo in NiOOH ))
Thermally:
Nella seconda fase il processo avviene a 95°C, l’anodo, arricchito di ossigeno, reagisce spontaneamente con l’acqua rilasciando l’Ossigeno legato nella prima fase, ripristinando l’idrossido di Nickel, per un nuovo ciclo.
Una pressione di 100 Bar, mantiene separati i due gas H2 e O2, evitando l’utilizzo di una costosa membrana che necessita di manutenzione.
da questo link, si otterranno le “news” dei recenti investimenti mondiali, nella produzione di Idrogeno ottenuto per elettrolisi, sfruttando fonti energetiche “green”, tra questi il nuovo sito brasiliano di Enegix.
Enegix Energy to build US$5.4 billion green hydrogen facility in Brazil
Is This Grey Goop the Future of Energy? - YouTube
Questo filmato, sponsorizzato da Powerpaste, fa il punto sui costi di produzione di Idrogeno, da Magnesio , confrontato con la produzione di Idrogeno da Metano.
Produzione elettrolitica di idrogeno Green, con efficienza del 98%. marzo 2022
La società Hysata, analizzando in profondità il comportamento delle molecole d’acqua, Idrogeno e Ossigeno, nella cella elettrolitica, ha individuato che la causa della scarsa efficienza della scissione dell’acqua nei suoi costituenti, è causato dalla interferenza delle molecole dei due gas prodotti, H2 e O2, che rimangono aderenti agli elettrodi, ostacolando l’avvicendarsi delle molecole d’acqua sulla superficie degli elettrodi.
La società Plasma Kinetics, afferma che il suo sistema di cattura, stoccaggio e distribuzione dell’Idrogeno è ottenuto in modo totalmente Green, è pulito, sicuro e scalabile; oltre a costare di meno è ricaricabile velocemente e trattiene più energia delle batterie agli ioni di Litio.
Il sistema adottato dalla società Plasma Kinetics, assorbe l’Idrogeno, contenuto nei fumi industriali, senza l’utilizzo di energia, perché lo assorbono, con un filtro passivo costituito da strati, sottili pochi Angstrong, di una lega metallica, “”, a base di idruri metallici e Magnesio, che si comporta come una spugna; l’Idrogeno catturato, puro al 99,99%, può essere trattenuto indefinitamente con sicurezza e senza spreco di energia.
Diversamente dai sistemi Cryo, l’Idrogeno catturato non necessita di raffreddamento o compressione ad alta pressione per mantenerlo stoccato; per recuperare l’Idrogeno gassoso per il suo utilizzo è sufficiente irradiarlo di luce di una predeterminata lunghezza d’onda.
La struttura “nanofotonica”, può essere utilizzata anche per stoccare e trasportare l’Idrogeno prodotto per elettrolisi o da altri sistemi industriali.
Plasma Kinetics' light activated nano-structured formulation.
Dove è possibile recuperare l’Idrogeno che finirebbe nell’atmosfera o bruciato nelle torri di sicurezza?
Oltre che dalle fonti naturali quali i pozzi di estrazione del metano, dal biometano proveniente dai digestori anaerobici o dal trattamento delle acque reflue, dalle discariche, dagli scarti biodegradabili proveniente dalle industrie zootecniche, è possibile reperire l’Idrogeno da sistemi industriali come sottoprodotto.
Impianti di produzione di Cloro per elettrolisi del cloruro di Sodio
NaCl + H2O + elettrolisi -> Cl2 + H2 (gas) + 2 NaOH
Impianti di Cracker- produzione di etilene
C2 H6 + calore -> C2 H4 + H2 + altri idrocarburi
La società Eat Si+ con sede in Hong Kong, ha presentato un novo sistema di stoccaggio di Idrogeno in forma solida, utilizzando l’elevata capacità della loro polvere di Silicio microporoso.
È risaputo che i metalli reagiscono con l’acqua liberando Idrogeno, in particolare i metalli alcalini che reagiscono violentemente; il video seguente è uno dei tanti esempi che potete trovare su Youtube.
https://www.youtube.com/watch?v=Fkt6-NDWqWg&ab_channel=Quy%E1%BA%BFnV%C5%A9V%C4%83n
maggiore è la dimensione dei metalli, minore sarà la reattività.
La polvere di Silicio ottenuto da scarti di recupero dei vecchi pannelli solari o dalla sabbia, aggiunto all’acqua, svilupperà l’Idrogeno immagazzinato nella polvere EAT Si+, in funzione della temperatura.
Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2
L’Idrogeno gassoso, sarà inviato all’utilizzatore (fuel cell), mentre il biossido di Silicio si depositerà sul fondo per il suo riutilizzo.
Nel video di presentazione del prodotto, per ottenere una reazione visibilmente efficace, si utilizza come “a basic solution” , l’idrossido di Sodio aggiunto all’acqua secondo la seguente reazione chimica.
2NaOH + Si + H2O → Na2SiO3 + 2H2
https://www.epro-atech.com/media
L’università di Melbourne ha presentato un dispositivo in grado di elettrolizzare anche la piccola quantità di acqua contenuta nell’aria con il 4% di umidità, raccogliendo Idrogeno “Green” e liberando nell’atmosfera l’Ossigeno ottenuto dall’elettrolisi.
La struttura dell’elettrolizzatore è composta da sandwich composto da un nucleo di materiale poroso, imbevuto con una soluzione ionica capace di assorbire l’umidità dell’aria, posto tra due elettrodi, il Catodo (dove si sviluppa l’Idrogeno), e l’Anodo (che rilascia l’Ossigeno nell’ambiente); il sistema è alimentato da una fonte energetica “green”, come i pannelli solari.
Riccardo Monti