Idrogeno ed energie alternative Conoscenze ingegneristiche dirette

In generale, un elettrolizatore è un dispositivo per la separazione, la scomposizione e la trasformazione di un materiale o di una molecola (reazione redox) con l'ausilio di energia elettrica. In un elettrolizzatore ad acqua, le molecole di acqua (H₂O) sono convertite in molecole di idrogeno (H₂) e molecole di ossigeno (O₂).

L'effettiva reazione avviene in celle elettrochimiche a tensioni di circa 1,4 V. Per ragioni pratiche, una serie di queste celle (collegamento elettrico in serie) è impliata in pile. Tutte le apparecchiature periferiche attorno alle celle elettromeccaniche vengono indicate come "Bilancio di impianto".

Bilancio di impianto (BOP) è un termine che è generalmente utilizzato in relazione con la tecnologia energetica.

Si riferisce a tutti i componenti di supporto e ai sistemi ausiliari per la conversione di energia, fatta eccezione per l'unità di generazione o l'unità di trasformazione stessa.

Per gli elettrolizzatori, ciò comprende gestione dell'energia (trasformatori, inverter, controller, ecc.), gestione di gas e fluidi (condizionamento acqua, separazione di fasi gas e fluido, essiccazione gas, compressione gas) e gestione termica (sistemi di raffreddamento per elettronica di potenza, essiccazione condensa e pila).

Una cella a combustibile consiste in due elettrodi, l'anodo (lato idrogeno) e il catodo (lato aria). Entrambi gli elettrodi sono separati da un elettrolita. Nella cella a combustibile PEM è presente una membrana semi-permeabile che permeabile solo ai protoni.

L'idrogeno viene alimentato verso l'anodo. Viene poi scomposto in protoni ed elettroni con l'ausilio di un catalizzatore (solitamente platino). I protoni migrano quindi attraverso la membrana verso il catodo. Gli elettroni fluiscono verso il catodo attaverso un'utenza elettrica e viene fornita energia elettrica. A livello del catodo, protoni ed elettroni si combinano con l'ossigeno proveniente dall'aria circostante per formare acqua.

Il termine "cella elettrochimica è un termine ombrello che indica diversi tipi di celle, come celle a elettrolisi, celle di accumulatore, celle di batteria o celle galvaniche. Questi tipi di celle possono essere talvolta reversibili, come le celle di accumulatore. Queste possono essere caricate e scaricate: ciò significa che possono convertire energia elettrica in energia chimica e rilasciarla nuovamente come energia elettrica. Inoltre, alcuni tipi di celle a elettrolisi possono essere azionate come celle a combustibile. Ciò significa che la conversione di idrogeno e ossigeno in acqua rilascia energia elettrica e calore.

Le celle a elettrolisi e le celle a combustibile consistono in piastre bipolari, elettrodi e, in base alla tecnologia, membrane e strati diffusivi gassosi (GDL). Quando sono utilizzate "membrane di scambio protone / anione" (PEM/AEM), queste sono spesse collegate direttamente agli elettrodi e indicate come "gruppo di scambio di membrane" (MEA).

Il gruppo elettrodo membrana (MEA) può essere interpretato in diversi modi. In alcuni casi indica soltanto la membrana con gli strati di catalizzatore rivestiti su di essa (su un lato per la reazione catodica e sull'altro lato per la reazione anodica). Spesso, tuttavia, sono inclusi l'uno o più strati di diffusione di gas, poiché anch'essi devono essere elettricamente conduttivi.

In base alla tecnologia, la membrana consiste in diversi polimeri o ceramiche, ciascuno dei quali può trasportare selettivamente protoni, anioni (ad esempio anioni idrossido = OH) oppure ossigeno). Gli strati diffusivi gassosi servono a trasportare i gas prodotti (elettrolisi) e in particolare i gas usati (celle a combustibile) in maniera più omogenea possibile lontano dai o verso i siti di reazione (strati di catalizzatore). Questi gas sono spinti verso l'esterno o l'interno delle celle elettrochimiche mediante canali nelle piastre bipolari.

Le piastre bipolari che sono state installate in una configurazione a pila o cella multipla sono innanzitutto responsabili del collegamento elettrico e fisico dell'anodo da una cella con il catodo della cella adiacente. Le piastre bipolari nelle celle a combustibile sono altresì responsabile dell'indirizzamento dei gas di reazione verso la zona di reazione. A tale scopo, sono macinati o pressati nelle piastre su entrambi i lati dei profili di flusso (campi di flusso) attraverso i quali l'idrogeno fluisce su un lato e l'aria viene alimentata sull'altro.

Una piastra bipolare consisten nei due poli di una singola cella a combustibile: la piastra anodica recante idrogeno (il polo negativo (-)) e la piastra catodica (il polo positivo (+)) per alimentare l'aria di reazione. Le piastre regolano inoltre la rimozione di vapore acqueo e l'uscita di energia elettrica e termica.

Nelle celle a elettrolisi, sono usate principalmente per raffreddare l'elettrolizzatore, fornire gas di reazione al lato anodico e rimuovere l'idrogeno e i gas prodotti nella reazione.

Nella tecnologia a celle di combustibile ed elettrolisi, una pila è una pila di celle elettrochimiche collegate in serie, comprendente gli elementi di bloccaggio/telaio/alloggiamento. Il collegamento in serie consente di aumentare la tensione di alimentazione e ridurre la corrente con lo stesso consumo energetico, in base a P=U*I. Indipendentemente da questo, il collegamento in serie in una pila semplifica inoltre la configurazione complessiva del sistema.

L'idrogeno gassoso può essere stoccato in un serbatoio dopo la compressione ad alta pressione. Nel trasporto, per esempio, è stato stabilito un livello di pressione di 350 bar per veicoli commerciali e di 700 bar per automobili. A 700 bar la densità è di circa 40 kg/m³ (24 kg/m³ a 350 bar). Gli accumulatori ad alta pressione offrono una soluzione a basso costo per piccole quantità di stoccaggio e sono pertanto utilizzati principalmente in applicazioni mobili come auto e veicoli commerciali.
Esistono attualmente quattro tipi diversi di recipienti in pressione sul mercato:

• Tipo 1: il recipiente in pressione consiste soltanto in una parete metallica (solitamente acciaio). Le pressioni nominali sono nel range dei 200 bar.
• Tipo 2: oltre alla parete metallica, i recipienti in pressione hanno un cappotto in fibra di carbonio o vetro impregnato di resina con una pressione nominale fino a 1000 bar.
• Tipo 3: i serbatoi hanno un rivestimento metallico (solitamente alluminio) e un cappotto in fibra di carbonio attorno a tutto il serbatoio. Le pressioni nominali sono tipicamente 350 o 700 bar.
• Tipo 4: gli accumulatori hanno un rivestimento in plastica (tipicamente poliammide o polietilene) e il cappotto è solitamente in fibra di carbonio, come per i recipienti di tipo 3. Le pressioni nominali sono solitamente di 350, 500 o 700 bar.

Rispetto allo stoccaggio dell'idrogeno gassoso, l'idrogeno liquido come combustibile offre dei vantaggi in termini di densità energetica (71 kg/m³). La pressione nel serbatoio può anche essere mantenuta bassa. Ciò ha un effetto positivo sul sistema di serbatoio in termini di requisiti a livello di spazio e peso del serbatoio di stoccaggio, di costi (specialmente per grossi volumi di stoccaggio) e di sicurezza.

I costi di produzione dell'idrogeno criogenico (-253  C) non sono tuttavia di poco conto. L'idrogeno inoltre si riscalda se non è costantemente raffreddato. Ciò conduce a un aumento di pressione all'interno del serbatoio. Ciò può portare a perdite "da evaporazione". In altre parole, l'idrogeno gassoso viene sfiatato nell'ambiente.

Un motore a idrogeno è un motore a gas che funziona con idrogeno gassoso anziché combustibile liquido (come diesel e petrolio). Esistono anche motori a idrogeno bi-carburante che sono alimentati da una miscela combustibile di idrogeno e altri gas (come metano e gas naturale). Esistono anche motori a idrogeno bi-combustibile che sono alimentati da una miscela di idrogeno e altri gas (come metano e gas naturale).

Un motore a idrogeno è considerato un'alternativa alle celle a combustibile, poiché i motori a combustione esistenti possono essere convertiti con uno sforzo tecnico relativamente limitato. Gli studi mostrano che il vantaggio in termini di costi diminuirà considerevolmente con l'aumento delle celle a combustibile. Inoltre, i motori a idrogeno hanno problemi di minore efficienza, necessità di manutenzione più elevate e per il fatto di non essere al 100% carbon neutral.

I "veicoli a cella di combustibile elettrica“ (FCEV) sono alimentati eslcusivamente da un motore elettrico, come i "veicoli a batteria elettrica" (BEV).

A differenza dei BEV, l'energia elettrica richiesta non è fornita da una batteria di azionamento di grandi dimensioni (nota come batteria di trazione). La stessa è invece resa disponibile convertendo energia chimica dalla fonte di energia alternativa in energia elettrica, resa possibile dalla cella a combustibile.

Allo stato attuale, le cellule a combustibile non sono ancora progettate per tali variazioni del carico rapide, a differenza dei motori a combustione. Per questo motivo, è installata anche una batteria di azionamento di dimensioni ridotte quando il carico e basso; la stessa fornisce energia aggiuntiva quando il carico è alto. Ciò consente di azionare la cella a combustibile a un carico relativamente costante quando il FCEV viene guidato.

Le centrali elettriche con celle a combustibile (FCPP), potenza e calore combinati (CHP) e calore e celle a combustibile combinati (FC-CHPPP) colpiscono per l'alto livello di efficienza complessivo. In base alla tecnologia a celle combustibili utilizzata, l'efficienza elettrica è attualmente attorno al 30 - 60%. L'efficienza complessiva può essere superiore al 95% poiché elettricità e calore sono generate direttamente dalla reazione elettromeccanica senza ulteriori passaggi di conversione.

Le centrali elettriche a celle di combustibile sono state finora sviluppate principalmente nel campo di potenza da 10 kw a 3 MW. Negli ultimi anni, tuttavia, lo sviluppo nella gamma di potenza inferiore è andato sempre più nella direzione delle centrali elettriche a potenza e calore combinati con micro e nano celle a combustibile, con un output elettrico di 0,3-1,5 kW e un output termico di 0,6-2,0 kW per case indipendenti e semi-indipendenti. Nella gamma di potenza superiore, sono già state raggiunte centrali elettriche con circa 80 MW e ciò è destinato ad aumentare ulteriormente negli anni a venire, grazie a costruzioni modulari.

Power-to-X (anche PtX o P2X) fa riferimento all'utilizzo di surplus di elettricità proveniente da energie rinnovabili variabili per coadiuvare tutti i tipi di tecnologie. Ad esempio, questi surplus possono essere stoccati direttamente in batterie (power-to-power), convertiti in calore (power-to-heat) o usati per produrre fonte di energia chimica (power-to-gas, power-to-liquid).

Se il surplus di elettricità è usato per produrre fonti di energia chimica, è spesso fatta un'ulteriore differenziazione (ad esempio power-to-hydrogen, power-to-syngas, power-to-ammonia, power-to-fuel).

L'ammoniaca (NH3) è un composto chimico di azoto e idrogeno, che è presente in forma gassosa in condizioni normali. A partire dallo sviluppo della fertilizzazione con azoto a opera di Justus Liebig (attorno al 1840), è stata una delle sostanze chimiche di base più importanti. Tuttavia, soltanto a partire dal momento in cui il processo di Haber-Bosch iniziò a essere utilizzato su scala industriale presso il BASF di Ludwigshafen attorno al 1913 è stato possibile un significativo incremento della produzione annuale. Oggi l'ammoniaca è una delle sostanze chimiche più prodotte (146,5 milioni di tonnellate nel 2021, 80 % delle quali come fertilizzante) e la base per la produzione di tutti gli altri composti a base di azoto.

Nell'ottica dello sviluppo di un'economia a idrogeno sostenibile ci si può attendere un ulteriore aumento della produzione annua di ammoniaca. Il motivo: è più adatta al trasporto e allo stoccaggio rispetto all'idrogeno puro.

Grazie al punto di bollitura relativamente alto di -33  C, è molto più facile e conveniente liquefare l'ammoniaca rispetto all'idrogeno (punto di ebollizione -252  C). Anche il valore energetico volumetrico più elevato dell'ammoniaca rispetto all'idrogeno ha una forte rilevanza (3,2 kWh/l rispetto a 2,8 kWh/l), specialmente per la logistica dei trasporti.