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Idrogeno

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Idrogeno

Messaggio Da paolo il Dom Gen 23, 2011 12:57 pm

IDROGENO


L’idrogeno non è una fonte di energia, bensì un mezzo per accumularla, un
portatore di energia che potrà cambiare in futuro molti settori della nostra
vita e, con la cella a combustibile, potrebbe rivoluzionare l’intero sistema
energetico, sia come combustibile nel traffico o, come fornitore di energia
per produrre elettricità e calore. In tutti questi settori, l’idrogeno consente
l’uso di fonti energetiche rinnovabili. Grazie all’idrogeno prodotto con il
sole, in futuro sarà possibile cucinare o viaggiare con l’energia solare o
eolica.
L’idrogeno (H) è un gas incolore, inodore e insapore, a
molecola biatomica H2, inoltre è completamente atossico. Il
suo peso specifico è 0,0899 g/l (è 14,4 volte più leggero
dell’aria). L’idrogeno liquido ha un peso specifico di 70,99 g/l.
Il punto di ebollizione è -252,77 °C.

Tra tutti i combustibili e carburanti, l’idrogeno possiede la
maggiore densità energetica: 1 kg di idrogeno contiene la
stessa energia di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina.

In rapporto al volume, la densità energetica di idrogeno
del gas naturale. Il contenuto (in peso) di idrogeno nell’acqua
è di 11,2 %.
A temperatura ambiente l’idrogeno è chimicamente poco reattivo a causa
dell’elevata stabilità delle molecole H2 che lo costituiscono. Acceso all’aria brucia
con fiamma azzurrognola e fortemente calorifica, reagendo con ossigeno (O) per
formare acqua:

2H2 + O2 → 2H2O

La reattività è molto maggiore quando si trova allo stato atomico; alcuni metalli
(come per esempio il platino e il palladio) hanno la proprietà di assorbire idrogeno
molecolare favorendone la dissociazione in idrogeno atomico e per questo vengono
utilizzati come catalizzatori nelle reazioni in cui interviene idrogeno.

Effetti sull’ambiente
Dalla reazione di idrogeno con ossigeno risulta teoricamente
solo acqua demineralizzata e anche la sua combustione in
motori e in turbine a gas produce emissioni inquinanti in
quantità minime e trascurabili. Con la temperatura di
combustione aumentano le emissioni di NOx in modo
esponenziale, ma queste possono essere controllate con
un’adeguata regolazione della temperatura. Usando celle a
combustibile che funzionano a bassa temperatura (per
esempio PEM), l’emissione di sostanze inquinanti è
praticamente zero, ma anche le emissioni da celle a
combustibile ad elevata temperatura sono fino a 100 volte
minori rispetto a quelle prodotte da impianti convenzionali.
Nella valutazione dell’impatto ambientale si deve però
sempre considerare l’intera catena cominciando dall’energia
primaria fino all’uso finale.

Disponibilità e produzione
L’idrogeno è il più diffuso elemento nell’universo, ma sulla terra è combinato con
altri elementi. L’idrogeno è presente nell’atmosfera solo in piccolissima
concentrazione perché per la sua leggerezza tende a sfuggire al campo
gravitazionale e a disperdersi nello spazio. È invece relativamente abbondante in
forma combinata, soprattutto come acqua (H2O) e come composti organici
(idrocarburi, biomasse, ecc.). Esempi sono il gas metano (CH4) composto da un

atomo di carbonio (C) e quattro atomi di idrogeno e i vegetali formati da
combinazioni organiche più complesse.

L’idrogeno si ricava da queste combinazioni mediante processi chimici che
richiedono energia. Scientificamente si parla pertanto di una fonte energetica
secondaria. Nel caso dell’idrogeno, l’energia per la sua preparazione non deve per
forza derivare da fonti fossili, bensì anche dall’energia eolica, solare e idrica.

A livello mondiale, più di 500 miliardi di metri cubi di idrogeno vengono attualmente
prodotti, immagazzinati, trasportati e utilizzati, prevalentemente nell’industria
petrolchimica. La stragrande parte deriva da fonti fossili (gas naturale, petrolio) e
risulta dall’elettrolisi cloro-sodio; circa 190 miliardi di metri cubi sono un prodotto
secondario dei processi industriali di raffinazione del petrolio.

Elettrolisi
Tra i vari metodi che consentono di ricavare idrogeno dall’acqua, l’elettrolisi è
l’unico di rilevanza pratica, oggi e possibilmente anche domani. L’elettrolisi, nella
sua forma convenzionale, è usata da oltre 80 anni per produrre idrogeno per il
mercato.

La produzione di idrogeno per elettrolisi richiede l’impiego di energia elettrica e
l’energia necessaria per scomporre l’acqua nei suoi due elementi H e O, è
essenzialmente quella “immagazzinata” nell’idrogeno stesso.

La produzione di grandi quantità è pertanto economica solo in quei paesi dove
l’elettricità può essere generata a costi convenienti, per esempio in Egitto, Islanda e
Norvegia, dove la maggior parte dell’energia elettrica viene generata in centrali
idroelettriche.

Quindi, per produrre idrogeno si deve investire energia elettrica. Per produrre
energia utile da idrogeno, questo deve essere nuovamente legato ad un altro
elemento, ed è questo che avviene in una cella a combustione.

Il principio
La decomposizione di acqua (H2O) in idrogeno e ossigeno per mezzo di elettrolisi
viene realizzata in celle elettrolitiche (elettrolizzatori) che sono recipienti contenenti
l’elettrolita e divisi in due compartimenti da un diaframma microporoso in grado di
far passare ioni. Nel nostro caso l’elettrolita è l’acqua, ma in pratica si tratta di una
soluzione acquosa di idrossido di sodio che ha migliori proprietà elettriche.

Nell’elettrolita sono immersi due elettrodi (conduttori metallici) collegati ai poli ad
un generatore (una pila o un accumulatore; corrente elettrica continua).
L’elettrodo, collegato al polo positivo, si chiama anodo, quello collegato al polo
negativo catodo.

Sotto l’azione del campo elettrico generato dagli elettrodi,
gli ioni presenti nell’elettrolita (acqua) migrano: quelli di
carica positiva (cationi) verso il catodo, quelli di carica
negativa (anioni) verso l’anodo. Giunti a contatto con il
catodo, i cationi acquistano elettroni e formano specie
neutre. Gli anioni, giunti a contatto con l’anodo, cedono
elettroni (cioè si ossidano) formando analogamente
specie neutre. L’idrogeno (H2) si accumula quindi dalla
parte del catodo e l’ossigeno (O) da quella dell’anodo.

Usando come sorgente elettrica pannelli fotovoltaici o
generatori eolici si pone il problema della discontinuità dell’alimentazione,
ma i moderni elettrolizzatori hanno un
comportamento dinamico e si adeguano al flusso
discontinuo di energia elettrica, pertanto possono essere
facilmente combinati con sistemi che usano fonti
rinnovabili.



Elettrolisi ad alta pressione
Gli elettrolizzatori ad alta pressione si distinguono da
quelli convenzionali per l’uso di materiali che consentono
pressioni fino a 50 bar e oltre. Sono in fase di studio
processi che dovrebbero consentire la combinazione
dell’elettrolizzatore con generatori elettrici fluttuanti, per
esempio con generatori eolici o impianti fotovoltaici.

Elettrolisi ad alta temperatura
Alcuni anni fa, l’elettrolisi ad alta temperatura è stata
ritenuta un’alternativa interessante, perché ci si
aspettava che potesse fornire una frazione dell’energia
necessaria sotto forma di calore ad alta temperatura
(800-1000 °C), ciò avrebbe consentito l’impiego di meno
energia elettrica. Si è pensato all’utilizzo del calore
prodotto da un concentratore solare (specchio
parabolico) o di quello non utilizzato di una centrale
termoelettrica. L’interesse per questa tecnologia è però
sensibilmente diminuito.

Altri metodi di produzione

Piccoli reformer
Per la produzione di idrogeno direttamente in combinazione con celle a combustibile
sono allo studio piccoli reformer (reforming a vapore, ossidazione parziale). Questi
sistemi sono destinati soprattutto ad applicazioni mobili in veicoli e in piccoli sistemi
fissi. Con questo sistema si spera di poter sfruttare la maggiore densità energetica
e il più semplice impiego dei convenzionali carburanti liquidi in celle a combustibili.
Di particolare interesse sono il reforming e l’ossidazione parziale di metanolo e di
benzina.

Reforming a vapore
Il reforming a vapore consiste nella trasformazione catalitica endotermica di
idrocarburi leggeri (metano, benzina, ecc.) con l’uso di vapore acqueo. Su scala
industriale, questi processi avvengono normalmente a temperature di 850 °C e
pressioni di circa 2,5 bar e gli impianti di reforming a vapore producono circa
100.000 metri cubi di idrogeno all’ora.

Dal processo di trasformazione risultano idrogeno e biossido di carbonio, nonché
metano e monossido di carbonio. Con l’impiego di vapore acqueo, nella cosiddetta
reazione “shift”, la maggior parte del monossido di carbonio viene trasformata in
biossido di carbonio ed idrogeno. Il biossido di carbonio e altre sostanze indeside-
rate vengono successivamente rimossi dalla miscela di gas per assorbimento o con
l’ausilio di membrane. Il gas residuo contiene materie combustibili (H2, CH4, CO)
nella misura di circa il 60% e, insieme con una frazione del gas utile, viene usato
per il riscaldamento del reformer.

Ossidazione parziale
Ossidazione parziale è detta la trasformazione termica di idrocarburi pesanti (per
esempio residui di oli pesanti dell’industria petrolchimica) con l’ausilio di ossigeno e,
parzialmente, anche di vapore acqueo. Con idonee quantità di ossigeno e di vapore
acqueo, la gassificazione può avvenire senza energia fornita dall’esterno.

Il metodo dell’ossidazione parziale funziona anche con il carbone. In questo caso, il
carbone finemente triturato viene miscelato con acqua per ottenere una sospen-
sione con un contenuto solido del 50-70%. Il metodo conviene economicamente
però solo in paesi come Sudafrica e Cina, grandi produttori di carbone.

Se, a medio e a lungo termine, l’idrogeno dovesse acquisire notevole importanza
nel settore energetico, la sua produzione tramite reforming convenzionale, o
ossidazione parziale di gas naturale, petrolio o carbone, è poco consigliabile dal
punto di vista ambientale, perché non riduce le emissioni di CO2.

Metodi avanzati
Alcuni metodi moderni consentono la produzione di idrogeno anche senza emissioni
di CO2, se l’energia elettrica necessaria viene prodotta da fonti rinnovabili. Fin dagli
anni Ottanta, la KVAERNER ENGINEERING S.A. norvegese sta sviluppando il cosid-
detto processo PLAM che, ad una temperatura di 1600 °C, consente la decomposi-
zione di idrocarburi in carbonio puro e idrogeno. Il processo, che non causa gravi
emissioni, richiede, oltre all’energia primaria (petrolio, gas naturale), solo energia
elettrica e acqua per il raffreddamento. Fin dall’aprile 1992, un impianto pilota
produce all’ora, con l’impiego di 1000 Nm3 gas naturale e 2100 kWe, circa 500 kg di
carbonio (carbonio attivo) e 2000 Nm3 idrogeno. Un altro prodotto secondario è
vapore ad alta temperatura con una potenza di circa 1000 kW. Considerando tutti i
prodotti potenzialmente utilizzabili, l’impianto ha un rendimento di quasi il 100%. Il
48% dell’energia trasformata è contenuto nell’idrogeno, circa il 10% nel vapore e il
40% nel carbone attivo. Come prossimo passo è previsto un impianto industriale
con una capacità di 100.000 Nm3/h di idrogeno.
Idrogeno da biomassa
Non esistono ancora metodi che consentono la produzione economica di idrogeno
direttamente da biomassa. I vari metodi sui quali si concentra la ricerca si trovano
in differenti stadi di sviluppo. Alcuni metodi prevedono l’uso di biomassa solida, per
esempio sotto forma di pellets, mentre altri si basano sulla fermentazione di liquami
e altre materie biologiche. I metodi più promettenti sono la gassificazione e la
fermentazione di biomassa dai quali si ricava biogas.
Gassificazione di biomassa
Con la gassificazione a vapore
acqueo si ottiene una miscela
gassosa composta all’incirca da:

20 % di idrogeno
20 % di monossido di carbonio
10 % di biossido di carbonio
circa 5 % di metano
45 % di azoto

Utilizzando ossigeno puro o solo
vapore acqueo, la frazione di
azoto non si forma.
Prima della gassificazione di biomassa, questa deve essere trasformata, in un
processo termico, in coke, condensato e gas di vario tipo. Questo processo è detto
scissione termica o pirolisi. La presenza di ossigeno nel reattore porta, invece che al
reforming, all’ossidazione parziale dei prodotti intermedi. Nella seconda fase della
reazione ”shift” il monossido di carbonio viene trasformato con acqua in idrogeno e
biossido di carbonio. In seguito, in un impianto di assorbimento a pressione
variabile, dalla miscela gassosa vengono separati l’idrogeno puro e i gas residui.

Fermentazione di biomassa

Da biomassa molto umida e da liquame, il biogas
può essere prodotto tramite una fermentazione
anaerobica. Nonostante che il biogas contenga
elevate frazioni di monossido di carbonio e di
metano e poco idrogeno, può essere utilizzato
ugualmente in celle a combustibile ad alta
temperatura (MCFC). In questo caso, agevolato
dall’alta temperatura (circa 650 °C), il reforming
del metano avviene direttamente a contatto con
l’elettrodo. Prima dell’uso in celle a combustibile
PEM, il gas deve essere trasformato in idrogeno in
un processo di reforming.
Idrogeno da etanolo
Alcuni scienziati statunitensi dell’Università del Minnesota hanno ultimamente
presentato, nella rivista “Science” (febbraio 2004), un reattore portatile che
trasforma alcol in idrogeno. L’apparecchio ecologico potrebbe rivoluzionare il
trasporto di energia. Il reattore usa etanolo, un alcol ottenuto da biomassa (patate,
grano e mais) e facilmente trasportabile. Nella trasformazione di etanolo in
idrogeno si forma anche biossido di carbonio, ma la quantità di CO2 è la stessa che
le piante hanno assorbito dall’atmosfera durante la loro crescita.

Come spiega il suo inventore Gregg Deluga, il nuovo reattore è piccolo, portatile e
contiene già l’energia necessaria. In una prima fase, una parte dell’etanolo viene
bruciata per ottenere la temperatura necessaria alla reazione. Abbinato ad una cella
a combustibile, l’apparecchio sviluppa una potenza di un chilowatt.

La struttura dell’apparecchio è semplice: tramite una valvola viene iniettata una
miscela di acqua ed etanolo nella camera preriscaldata dove il liquido evapora e si
mescola con l’aria. Un catalizzatore di rodio e di cerio trasforma poi la miscela in
idrogeno e biossido di carbonio. Secondo i ricercatori, oltre il 95 % dell’etanolo
viene trasformato in idrogeno. La durata del contatto con il catalizzatore ammonta
solo ad un centesimo di secondo e questo consente la produzione di grandi quantità
di idrogeno. Nella reazione si forma però anche monossido di carbonio non
sopportato dalle celle a combustibile previste per applicazioni mobili, per esempio in
automobili.
Idrogeno direttamente da biomassa
Produrre idrogeno direttamente da biomassa e
senza il processo di elettrolisi ha un grande
fascino, perché consentirebbe l’uso di una fonte
energetica rigenerabile, l’ottenimento di un alto
rendimento e un bilancio energetico molto
equilibrato.

Ci sono vari processi biologici in cui l’idrogeno
viene liberato o risulta come prodotto intermedio. I
due principali processi sono: la fotosintesi, che
richiede luce, e la fermentazione che avviene
anche al buio. Nel secondo processo sono alghe e
microrganismi a produrre idrogeno. Ambedue
questi metodi sono ancora in fase sperimentale,
ma rappresentano delle opzioni per il futuro
dell’economia energetica basata sull’idrogeno.
Immagazzinamento


Vi sono tre principali metodi per immagazzinare l’idrogeno:

- allo stato gassoso sotto pressione
- allo stato liquido
- per assorbimento


Tutti e tre i metodi hanno dei vantaggi e degli svantaggi che li
qualificano per i differenti impieghi.

Immagazzinamento di idrogeno gassoso sotto pressione
Di immagazzinamento sotto pressione si parla quando un gas viene tenuto sotto
una pressione maggiore di quella normale. Per ogni livello di pressione viene usato
un certo tipo di serbatoio. I serbatoi per pressioni minori hanno una dimensione
maggiore, ma una resistenza minore alla pressione e quindi costano meno rispetto
a quelli destinati a pressioni maggiori.

I grandi serbatoi sono normalmente impiegati in applicazioni fisse dove c’è
abbastanza spazio. In applicazioni mobili, dove lo spazio è molto limitato, si usano
invece serbatoi compatti e resistenti ad alte pressioni che possono anche arrivare a
700 bar.

Le vecchie bombole di acciaio avevano un peso elevato, quelle moderne, costruite
con materiali compositi (fibre di carbonio con rivestimento interno di alluminio),
sono invece più leggere.

L’immagazzinamento di grandi quantità di idrogeno per usi industriali, avviene
anche in serbatoi sotterranei (caverne), nei quali il gas può essere stoccato in
condizioni fino a 50 bar. Questo sistema è già utilizzato negli Stati Uniti e in
Francia.

Immagazzinamento di idrogeno liquido
Allo stato liquido, l’idrogeno ha una maggiore densità, ma questo stato lo acquista
solo ad una temperatura di –253 °C. I serbatoi destinati allo stoccaggio di idrogeno
liquido a bassissima temperatura sono detti “criotecnici” e rendono minime le
perdite dovute al riscaldamento. L’immagazzinamento di idrogeno liquido si presta
soprattutto in applicazioni mobili (veicoli) dove lo spazio è molto limitato. Il
rifornimento dei veicoli richiede impianti automatizzati, in parte già esistenti.
Questo tipo di immagazzinamento conviene solo in quei casi in cui l’uso richiede
idrogeno liquido, perché la liquefazione del gas e la conservazione del liquido sono
operazioni costose.

Immagazzinamento per assorbimento
Oltre all’immagazzinamento di idrogeno sotto pressione e in forma liquida, esiste
anche quello per assorbimento.


Con questo metodo si sfrutta la proprietà che
certe leghe metalliche hanno di assorbire
l’idrogeno. Un metallo che assorbe idrogeno si
raffredda e, per recuperare l’idrogeno, si deve
riscaldarlo. In rapporto al volume, la capacità
di questi accumulatori è molto vantaggiosa,
ma purtroppo questi serbatoi sono molto
pesanti e costosi e pertanto e non adatti ad
applicazioni mobili. I loro vantaggi sono la
semplicità e la sicurezza; anche quando il
serbatoio dovesse subire un guasto,
l’idrogeno con si disperde. Essi lavorano a
pressione quasi normale, non causano perdite dovute all’evaporazione e hanno un
effetto purificante sull’idrogeno. Un’applicazione commerciale di questa tecnologia è
quella nei sottomarini.

Carbon Nanotubes
I nano tubi si ottengono dal carbonio e potrebbero in futuro
rivoluzionare la tecnologia dell’immagazzinamento di idrogeno.
La scoperta, che grandi quantità di idrogeno possono essere
immagazzinate in piccolissime strutture tubolari di grafite, risale
solo a pochi anni fa. Da allora, molti gruppi di ricercatori stanno
lavorando allo sviluppo e al perfezionamento di questa
tecnologia, ma i risultati non sono ancora definitivi. Si è però
potuto dimostrare che il principio è valido e la tecnologia
promettente. I futuri sviluppi sono attesi con molto interesse.
Trasporto
Le tecniche di trasporto di idrogeno si fondano principalmente sulle tecniche di
immagazzinamento precedentemente descritte.

L’idrogeno gassoso sotto pressione viene oggi normalmente trasportato in speciali
serbatoi su camion o per ferrovia, direttamente dal produttore al consumatore. È
stata proposta anche la costruzione di idrogenodotti simili ai metanodotti tramite i
quali, in futuro, l’idrogeno potrebbe essere fornito a ogni casa. Idrogenodotti
esistono già in alcune regioni della Germania e, in tutto il mondo, sono in uso oltre
1000 km di questi pipeline.

L’idrogeno liquido può essere trasportato in speciali autocisterne o in speciali
contenitori caricabili su camion; negli Stati Uniti esiste persino una pipeline per il
trasporto, lunga 40 km. Si pensa oggi anche al trasporto di idrogeno liquido per
mare in navi simili di quelli con le quali oggi viene trasportato il gas naturale, ma
sono state progettate anche delle navi speciali.

Per le quantità di idrogeno che oggi vengono trasportate via mare, si è però rivelato
più adatto ed economico l’uso di contenitori speciali. Questi contenitori per idrogeno
liquido hanno dimensioni standard e possono essere trasportati in tutto il mondo via
mare, per ferrovia e su camion e il trasbordo può avvenire in ogni terminal.


Sicurezza
L’idrogeno è molto reattivo e reagisce facilmente con ossigeno formando acqua.
Non comporta un maggiore rischio rispetto al petrolio, al gas naturale o all’uranio.
Le sue caratteristiche fisiche e chimiche non rappresentano particolari pericoli. Per
questo motivo non esistono particolari norme di sicurezza se non quelle che valgono
per tutti i gas infiammabili.

Nel caso di incidenti, i combustibili liquidi comportano spesso la rapida espansione
dell’incendio sul luogo dell’incidente, che può causare, specialmente nel caso di
incidenti con camion e aeroplani, la morte di molte persone. L’idrogeno evapora in
questi casi rapidamente verso alto, ma quando l’idrogeno si libera in ambienti
confinati, come per esempio in autorimesse o tunnel, esiste un maggiore pericolo di
esplosione. In questi luoghi si deve provvedere ad una maggiore ventilazione e ad
altri dispositivi di sicurezza.

L’industria usa l’idrogeno da più di 100 anni e i dispositivi di sicurezza sviluppati nel
frattempo sono considerati sufficienti.

L’incendio che, nel 1937, distrusse il dirigibile LZ
129 “Hindenburg” a Lakehurst, non è stato causato
dall’idrogeno con il quale era riempito l’involucro,
bensì dalle caratteristiche chimiche ed
elettrostatiche della pittura esterna che prese fuoco
quando il dirigibile si trovò nel campo elettrico di un
temporale. La massa di idrogeno si incendiò solo
successivamente.

Se il dirigibile fosse “esploso”, come si sente spesso
dire, la foto qui accanto non si sarebbe potuta
scattare.
In realtà, l’idrogeno è bruciato con la fiamma verso l’alto, e coloro che tra i
passeggeri non si lanciarono dalla cabina, sopravvissero all’incidente. Se si fosse
incendiato un carburante liquido, l’incidente sarebbe stato molto più grave, perché
si sarebbe formato un tappeto di fuoco sotto la navicella del dirigibile.

L’idrogeno nel serbatoio di un’automobile
non comporta un maggiore pericolo
rispetto alla benzina. Questo è stato
dimostrato da ricercatori (Michael Swain)
dell’Università di Miami in uno
spettacolare test. I tecnici hanno
appiccato il fuoco a due automobili, una
ad idrogeno, l’altra a benzina. Come era
prevedibile, ambedue le macchine hanno
preso fuoco, ma, mentre quella a
benzina è stata completamente avvolta
dalle fiamme dopo 60 secondi, quella ad
idrogeno è rimasta quasi illesa. Solo
un’enorme vampata è guizzata in alto,
ma si è spenta quasi subito.











Ultima modifica di paolo il Gio Gen 27, 2011 3:46 pm, modificato 1 volta

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Re: Idrogeno

Messaggio Da RaYoZ il Dom Gen 23, 2011 5:10 pm

Spostato.
Bravo comunque =D

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