Il carburante a idrogeno con i suoi vari nomi come carburante pulito, il carburante a zero emissioni di carbonio è il carburante più accessibile e futuro. Il carburante è tutto ciò che può essere fatto reagire con altre sostanze per rilasciare energia e la presenza di idrogeno nelle risorse domestiche come biomasse, gas naturale, energia nucleare lo rende il carburante del futuro. Può anche essere prodotto attraverso energia rinnovabile come solare ed eolica. Tutte queste qualità combinate insieme per renderlo un'opzione di carburante alternativa per il trasporto, applicazioni di generazione di elettricità, dispositivi elettronici portatili e sistemi di backup dell'alimentazione.
In molti modi, l'idrogeno è il carburante perfetto. È la combustione più pulita e più efficiente, creando un ciclo energetico rinnovabile e innocuo per l'ambiente. L'idrogeno si combina chimicamente con la maggior parte degli elementi, quindi è stato utilizzato per molti anni come sostanza chimica industriale in un'ampia gamma di applicazioni. Con la sua abbondante presenza, le modalità di produzione risultano essere molteplici. Passiamo alla produzione di idrogeno.
Le tecnologie innovative per la produzione di carburante a idrogeno
L'idrogeno è l'elemento più semplice per la sua composizione chimica di un solo protone e un elettrone che rende facile reagire con varie sostanze per trasformarsi in una forma in grado di risolvere alcuni importanti problemi del futuro combustibile. L'efficienza energetica e l'impatto ambientale dell'idrogeno dipendono esclusivamente da come viene prodotto. Esistono diversi metodi utilizzati nelle industrie per produrre combustibile a idrogeno. Pochi di loro sono discussi di seguito:
Processo elettrolitico: Questo metodo di separazione dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando una corrente elettronica è chiamato elettrolisi. È evidente che l'elettricità prodotta da fonti rinnovabili, come solare o eolica, anche l'idrogeno risultante sarà considerato rinnovabile e presenta numerosi vantaggi in termini di emissioni. Stanno decollando i progetti power-to-hydrogen, in cui l'elettricità rinnovabile in eccesso, quando disponibile, viene utilizzata per produrre idrogeno attraverso l'elettrolisi.
Pirolisi del metano: La produzione di idrogeno mediante la pirolisi di metano da gas naturale è un recente processo a una fase "senza gas serra". Lo sviluppo della produzione di volume utilizzando questo metodo è la chiave per consentire una più rapida riduzione delle emissioni di carbonio utilizzando l'idrogeno nei processi industriali, nel trasporto di autocarri pesanti elettrici a celle a combustibile e nella generazione di energia elettrica da turbine a gas. La pirolisi del metano utilizza metano CH4 fatto gorgogliare attraverso il catalizzatore di metallo fuso ad alte temperature (1340 K, 1065° C o 1950 ° F) per produrre gas idrogeno H2 non inquinante in grandi volumi, a basso costo e produce carbonio solido non inquinante C senza emissione di gas serra.
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 (g) ΔH° = 74 kJ/mol
La pirolisi del metano è in fase di sviluppo ed è considerata adatta per la produzione commerciale di idrogeno sfuso.
Riforma a vapore (metodo industriale): L'idrogeno viene spesso prodotto utilizzando il gas naturale, che comporta la rimozione dell'idrogeno dagli idrocarburi a temperature molto elevate, con il 48% della produzione di idrogeno proveniente dallo steam reforming. L'idrogeno sfuso commerciale è solitamente prodotto dal reforming a vapore del gas naturale con il rilascio di gas serra atmosferici o con cattura mediante CCS e mitigazione del cambiamento climatico. Il reforming a vapore è anche noto come processo Bosch ed è ampiamente utilizzato per la preparazione industriale dell'idrogeno.
Ad alte temperature (1000–1400 K, 700–1100 °C o 1300–2000 °F), il vapore reagisce con il metano per produrre monossido di carbonio e H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Processo biologico: I processi biologici utilizzano microbi come batteri e microalghe e possono produrre idrogeno attraverso reazioni biologiche. Nella conversione della biomassa microbica, i microbi scompongono la materia organica come la biomassa o le acque reflue per produrre idrogeno, mentre nei processi fotobiologici i microbi utilizzano la luce solare come fonte di energia.
Processo ad energia solare: L'energia solare utilizza fondamentalmente la luce solare o le radiazioni per formare l'idrogeno. Ci sono fondamentalmente tre processi solari di questo tipo: fotobiologico, fotoelettrochimico e solare termochimico. I processi fotobiologici utilizzano l'attività fotosintetica naturale di batteri e alghe verdi per produrre idrogeno. I processi fotoelettrochimici utilizzano semiconduttori specializzati per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno. La produzione di idrogeno termochimico solare utilizza l'energia solare concentrata per guidare le reazioni di scissione dell'acqua spesso insieme ad altre specie come gli ossidi metallici.
Applicazioni pratiche nel settore tecnologico
Applicazioni nell'industria automobilistica
Si pensa che l'idrogeno sia il carburante alternativo per l'industria automobilistica grazie alla sua elevata efficienza e alle emissioni zero di carbonio. L'uso dell'idrogeno nei veicoli è uno degli obiettivi principali della ricerca e dello sviluppo delle celle a combustibile. In paesi come gli Stati Uniti, hanno anche stazioni di rifornimento di idrogeno. La maggior parte dei veicoli alimentati a idrogeno sono automobili e autobus di transito dotati di un motore elettrico alimentato da una cella a combustibile a idrogeno. Alcuni di questi veicoli bruciano direttamente l'idrogeno. L'alto costo delle celle a combustibile e la limitata disponibilità di stazioni di rifornimento di idrogeno hanno limitato il numero di veicoli alimentati a idrogeno. Anche la cella a combustibile a idrogeno viene utilizzata nei treni in Germania e si è scoperto che nei prossimi cinque anni potrebbe raggiungere la Gran Bretagna, la Francia, l'Italia, il Giappone e gli Stati Uniti. Per i veicoli per uso personale, nove dei principali produttori di automobili stanno sviluppando veicoli elettrici a celle a combustibile a idrogeno (FCEV) per uso personale. I modelli degni di nota includono Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo e BMW.
Nella produzione di elettricità
Le celle a combustibile a idrogeno producono elettricità combinando atomi di idrogeno e ossigeno. L'idrogeno reagisce con l'ossigeno attraverso una cella elettrochimica simile a quella di una batteria per produrre elettricità, acqua e piccole quantità di calore. Sono disponibili molti tipi diversi di celle a combustibile per un'ampia gamma di applicazioni. Piccole celle a combustibile possono alimentare computer portatili e persino telefoni cellulari e applicazioni militari. Le grandi celle a combustibile possono fornire elettricità per il backup o l'alimentazione di emergenza negli edifici e fornire elettricità in luoghi non collegati alle reti elettriche.
Oltre a ciò, l'idrogeno viene utilizzato anche in una serie di applicazioni marine, applicazioni spaziali e soprattutto nella generazione di energia di riserva.
Sfide poste dall'idrogeno come combustibile alternativo
Abbiamo sempre sentito dire che una moneta ha due facce, lo stesso vale per il nuovo carburante futuro. Parlando delle sfide per l'uso del carburante a idrogeno nelle industrie, molte sono ragionevoli e inevitabili. Alcuni di loro sono elencati di seguito: -
Estrazione dell'idrogeno
Nonostante sia disponibile in tale abbondanza nell'universo, l'estrazione è piuttosto difficile. L'idrogeno non esiste da solo, quindi deve essere estratto dall'acqua tramite elettrolisi o separato dai combustibili fossili di carbonio. Entrambi questi processi richiedono una notevole quantità di energia per essere realizzati. Questa energia può essere maggiore di quella ottenuta dall'idrogeno stesso, oltre ad essere costosa.
Costo delle materie prime e ulteriori investimenti
Per l'estrazione dell'idrogeno sono necessari metalli preziosi come platino e iridio come catalizzatori e pochi elettrolizzatori per l'elettrolisi. Tutte queste spese aggiuntive fanno aumentare il costo della materia prima. I costi elevati hanno dissuaso alcuni dall’investire nelle celle a combustibile a idrogeno la tecnologia. Tali costi devono essere ridotti per rendere le celle a combustibile a idrogeno una fonte di combustibile fattibile per tutti. Le celle a combustibile a idrogeno necessitano di investimenti per essere sviluppate al punto da diventare una fonte di energia realmente valida. Ciò richiederà anche la volontà politica di investire tempo e denaro nello sviluppo al fine di migliorare e maturare la tecnologia.
Infrastrutture e stoccaggio dell'idrogeno
I combustibili fossili sono stati utilizzati per decenni, l'infrastruttura per questa alimentazione esiste già. L'adozione su larga scala della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno per le applicazioni automobilistiche richiederà una nuova infrastruttura di rifornimento per supportarla, anche se per applicazioni a lungo raggio come quelle per autocarri e camion è probabile che verrà utilizzato il rifornimento dall'inizio alla fine.
Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno sono più complessi di quelli necessari per i combustibili fossili. Ciò implica costi aggiuntivi da considerare per le celle a combustibile a idrogeno come fonte di energia.
Il carburante a idrogeno è la migliore opzione di carburante sostenibile e alternativo per il prossimo futuro e le sue applicazioni sono fondamentali non solo per l'ambiente, ma anche per la crescente domanda di carburante. I ricercatori e le aziende innovative dovrebbero impegnarsi a fondo per rendere disponibile l'idrogeno proprio come l'acqua non solo per uso industriale ma anche per uso personale.
Sheeba Chauhan
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