Lo stoccaggio dell’idrogeno rappresenta uno dei temi centrali nella transizione verso un sistema energetico più sostenibile. Infatti, nonostante il suo potenziale come vettore pulito energetico, l’idrogeno presenta alcune sfide legate alla sua natura fisica e chimica.
Come funziona lo stoccaggio dell’idrogeno
Per analizzare il funzionamento delle tecnologie di stoccaggio oggi disponibili, è necessario partire da alcune grandezze fondamentali di questo gas come l’energia specifica massica e quella volumetrica, ovvero la densità di energia stoccata considerando la massa o il volume del gas.
Infatti, l’idrogeno è il gas più leggero presente in natura. La sua densità è talmente bassa che, allo stato gassoso, contiene molta meno energia per unità di volume rispetto ad altri combustibili.
Questo rende fondamentale l’adozione di soluzioni in grado di aumentare la densità energetica, così da poterlo immagazzinare e trasportare in modo efficiente.
Tecnologie per lo stoccaggio dell’idrogeno
Oggi esistono diverse tecnologie per incrementare la densità dell’idrogeno e quindi facilitarne lo stoccaggio. Le principali sono:
Analizziamo più nel dettaglio i vari processi.
Stoccaggio dell’idrogeno mediante compressione ad alta pressione
La compressione è la soluzione più diffusa per aumentare la densità dell’idrogeno. Consiste nell’aumentare la pressione del gas tramite compressori fino a raggiungere valori elevatissimi, anche oltre i 1000 bar. Per ottenere questi livelli, si utilizzano spesso compressori multistadio, ovvero con diversi step di compressione per raggiungere il valore desiderato.
Per contenere idrogeno compresso a queste pressioni, sono state sviluppate bombole ad alte prestazioni, come le bombole di tipo 3 e tipo 4, realizzate principalmente in fibra di carbonio, che garantiscono elevata resistenza e leggerezza.
Liquefazione dell’idrogeno per aumentarne la densità
Un altro metodo per aumentare la densità è la condensazione, comunemente chiamata liquefazione, ovvero il raffreddamento dell’idrogeno fino a farlo passare allo stato liquido. Il processo richiede il raggiungimento di temperature estremamente basse, cioè -253°C (20°K), per questo è molto più complesso rispetto alla compressione. La liquefazione implica infatti impianti sofisticati, consumi energetici elevati e una gestione accurata dei sistemi criogenici.
Tuttavia, l’idrogeno liquido ha una densità volumetrica superiore rispetto a quello compresso, rendendo questa tecnologia vantaggiosa in alcune applicazioni specifiche, ad esempio in ambito aerospaziale e nel trasporto su lunga distanza.
Conversione chimica dell’idrogeno in ammoniaca per il trasporto
Un’ulteriore modalità per modificare la densità dell’idrogeno è quella di compiere una reazione chimica per trasformarlo in un nuovo composto. Il processo più comune è quello della formazione di ammoniaca (NH₃), grazie a una reazione chimica tra azoto (N₂) e idrogeno (H₂):
N₂ + 3H₂ → 2NH₃
Questa trasformazione, realizzata in impianti dedicati con alte temperature e catalizzatori, consente di ottenere un composto più facile da stoccare e trasportare.
Una volta generata, l’ammoniaca può essere trasportata facilmente allo stato liquido in soluzione acquosa a temperatura ambiente, oppure in forma pura a -33°C.
Per l’utilizzo finale, è necessario riconvertire l’ammoniaca in idrogeno, processo che a sua volta richiede energia, calore e catalizzatori.
Nonostante la tossicità dell’ammoniaca, che richiede adeguate precauzioni, questa via è molto promettente, grazie all’elevata densità raggiunta, in alcuni casi superiore a quella dell’idrogeno liquido puro.
Assorbimento dell’idrogeno in idruri metallici solidi
Un’ altra tecnologia innovativa prevede l’assorbimento dell’idrogeno in un materiale solido, in particolare idruro metallico. In questo caso, l’idrogeno viene assorbito nel reticolo cristallino del metallo, senza una vera e propria reazione chimica. Durante l’assorbimento il materiale si scalda perché la reazione è esotermica e spontanea con la giusta temperatura e pressione.
Con la scarica il sistema si raffredda (reazione endotermica) andando ad auto inibire la reazione.
Si tratta di una procedura particolarmente sicura poiché opera a bassa pressione e, in caso di danneggiamento del contenitore, la reazione rallenta da sola. Questa tecnologia può essere utilizzata per comprimere l’idrogeno fornendo solo calore.
L’impiego di questa soluzione a livello industriale richiede l’utilizzo di bombole contenenti numerosi dischi di idruro metallico di piccole dimensioni, progettati per favorire l’estrazione del gas e lo scambio termico.
Un limite attuale è la massa complessiva. Infatti, per immagazzinare 1 kg di idrogeno servono anche 100 kg di idruri. Tuttavia, i valori di densità volumetrica ottenibili possono arrivare anche a 150 kg/m³.
Le sfide nello stoccaggio dell’idrogeno
Ognuna delle tecnologie analizzate per lo stoccaggio dell’idrogeno presenta vantaggi e limiti che devono essere attentamente valutati in base all’applicazione specifica. Le principali sfide riguardano:
- Efficienza energetica: minimizzare il consumo di energia nei processi di compressione o liquefazione.
- Sicurezza: gestire idrogeno ad alte pressioni o in forma liquida, oppure sotto forma di composti potenzialmente tossici.
- Scalabilità e costi: rendere le tecnologie accessibili su larga scala, anche in ambiti industriali diversi.
- Compatibilità infrastrutturale: integrare le soluzioni di stoccaggio con sistemi di produzione, trasporto e utilizzo dell’idrogeno.
Il supporto di Simplifhy per lo stoccaggio dell’idrogeno
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