Idrogeno liquido, conviene?

Sento parlare con estrema leggerezza il possibile utilizzo futuro dell’idrogeno liquido: “l’idrogeno liquido salverà il mondo”. “Hydrogen I love you”
Allora facciamoci una chiacchierata.

L’idrogeno è un gas composto da piccole molecole biatomiche. L’idrogeno liquido non è altro che lo stato liquido dell’idrogeno in forma naturale, cioè gassosa (H2)

Allo scopo di evitare una noiosa esposizione salterò a piè pari il processo industriale per la produzione dell’idrogeno liquido facendo una esposizione sommaria. La casalinga di Verona ne sarà più che contenta.

Ci sono tre modi di produzione di idrogeno liquido.
L’idrogeno Grigio viene estratto dal metano. Il processo libera però CO2.
L’idrogeno Blu quello ottenuto ancora da steam reforming del metano. Anche questo processo genera CO2.
L’idrogeno Verde che è prodotto per elettrolisi.

Parliamo di quest’ultimo.

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Per produrre l’idrogeno liquido bisogna partire dall’idrogeno gassoso, ad es. quello prodotto da un elettrolizzatore e intubato direttamente all’uscita dagli elettrodi. 

L”idrogeno gassoso viene fatto entrare in un contenitore, lontano da fonti di calore e da sorgenti elettriche, dopo averlo spurgato con un gas inerte (ad es. azoto o argon), per pulirlo ed evitare pericoli di esplosioni a causa dell’aria altrimenti presente.
A questo punto viene pressurizzato il serbatoio: la pressione del gas viene regolata al valore di quella atmosferica standard, pari a circa 1 atmosfera, ideale per formare idrogeno liquido.

Ora, la temperatura del serbatoio va abbassata a meno di -252 °C: una volta che è calata sotto questa soglia, il gas cambia stato trasformandosi in liquido, e giace sul fondo del contenitore.

Ovviamente tutto questo necessita di energia.

E’ più che evidente i rischi che si corrono. Chi vuol produrre idrogeno liquido deve stare molto attento ai rischi di incendio, esplosione, asfissia (da grandi rilasci di idrogeno nell’ambiente, essendo inodore), ustioni fredde (a contatto con la pelle o con gli occhi).

 Quando viene compresso questo gas può essere usato per una vasta quantità di applicazioni legate all’energia.
L’idrogeno liquido, ad esempio, è considerato uno dei tanti possibili sistemi futuri di accumulo dell’energia, utilizzabile anche come vettore di energia perché può essere facilmente trasportato.
L’idrogeno liquido può essere usato pure dall’industria automobilistica: in particolare, al posto dei combustibili fossili nelle auto a idrogeno.

Detta così sembra tutto facile. Che ci vuole.

L’idrogeno liquido è un elemento infiammabile, che brucia facilmente ed in modo violento se è a contatto con l’aria: in pratica, è sufficiente una piccola scintilla per farlo esplodere. Ora potete immagine le conseguenza anche per un piccolo incidente tra autovetture. Un vero disastro sarebbe un incidente in un centro abitato. In pratica è come portare una bomba in automobile.

2021-12-03_17h10_58Ad evitare seri rischi l’idrogeno liquido viene conservato in bombole o contenitori in grado di sopportare elevate pressioni e di mantenerlo alla corretta temperatura, altrimenti il liquido lentamente ritornerebbe allo stato gassoso.
In ogni caso, a causa delle piccole dimensioni delle sue molecole, l’idrogeno liquido anche se conservato in un contenitore ben chiuso tende ad evaporare dell’1% al giorno, per cui va conservato in un ambiente grande e ben areato.

In aggiunta bisogna tenere presente il problema dello stoccaggio e dei costi.

Stoccaggio

Per comprendere al meglio le difficoltà di stoccaggio, facciamo un confronto sul potere calorifico. Per unità di massa, ovvero un kg, l’idrogeno sviluppa ben 120 MJ, contro i 43,5 della benzina e i 50 del metano.
Questo significa che un chilo di idrogeno sviluppa tre volte l’energia di un chilo di benzina. Ma non è ancora finita: a causa della sua densità, a condizioni standard un m3 di idrogeno si traduce in appena 2,97 MJ.
In conclusione, l’idrogeno per essere utilizzato deve essere immagazzinato in modo tale da aumentarne considerevolmente la densità.

Chi ha un minimo di nozioni di fisica sa che, per aumentare la densità di un gas, o si aumenta la pressione, o si diminuisce la temperatura seconda questa equazione di stato che mette in relazione la pressione  p, la temperatura T (espressa in kelvin), il volume V e la quantità di sostanza n, dove R è la costante di Boltzmann.

La massima pressione all’interno del serbatoio, infatti, con le tecnologie attuali, si attesta intorno ai 5 – 6 bar. Siccome lo stato liquido, per l’idrogeno, non è stabile (vista la bassissima temperatura di ebollizione) per mantenerlo è necessario sottrargli calore, il che implica il consumo di una certa quantità di energia. In questo caso il consumo energetico, si identifica con una continua e controllata evaporazione dal serbatoio, ottenuta mediante lo scambiatore di calore.

Per dare un’idea, gli attuali serbatoi di metano per autotrazione, realizzati in lamiera d’acciaio, hanno pressioni di esercizio pari a 220 bar e, con una capacità di 85 litri – che equivalgono a circa 14-15 kg di metano immagazzinati – pesano quasi un quintale. Questo vuol dire che, per realizzare bombole capaci di lavorare in sicurezza a 700 bar, siamo obbligati a rivolgerci a materiali compositi: attualmente sono allo studio speciali resine rinforzate con fibre di carbonio.

Trasporto

Data la elevata pericolosità del trasposto su ruote e su rotaie, l’ideale sarebbe creare una rete per la distribuzione dell’idrogeno. Cosa non facile se guardiamo un precedente, la metanizzazione, iniziata oltre 50 anni fa e, oggi, ancora in corso in molte zone del Paese.
Lo sguardo dei ricercatori, quindi, è indirizzato sulla produzione in loco. Una volta prodotto, l’idrogeno dovrebbe essere distribuito in apposite stazioni “multifuel”, capaci di erogare in tutta sicurezza più tipologie di carburante nella stessa area.

Costo

Ecco un altro dei nodi del problema. Molti dicono di no, ma al di là delle belle parole della riduzione della CO2 emessa nell’atmosfera bisogna fare i conti con i costi. E produrre idrogeno (per elettrolisi, ovviamente, altri modi non sono presi neppure in considerazione) non può essere così tanto conveniente. Non entro nel dettaglio, l’argomento è complicato e dipende dal tipo di impianto, ma possiamo così sintetizzare:

  • Per produrre un KWh occorrono, in media, 78 litri di acqua. Questo significa che per produrre un Kg di idrogeno, lavorando con rendimenti del 75%, serviranno 4.000 litri d’acqua.
  • Oggi un impianto avrebbe un costo di produzione di H2 pari a 5/8 €/kg, a seconda della taglia dell’elettrolizzatore.

Ora ditemi voi.

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