Applicazioni dell’idrogeno | Idrogeno

L’idrogeno è versatile e può essere utilizzato in vari modi. Questi molteplici usi possono essere raggruppati in due grandi categorie;

1. L’idrogeno come materia prima. Un ruolo la cui importanza è riconosciuta da decenni e continuerà a crescere ed evolversi.
2. Idrogeno come vettore energetico che permette la transizione energetica. L’uso dell’idrogeno in questo contesto è già iniziato e sta gradualmente aumentando. Nel prossimo futuro questo campo crescerà drammaticamente. La versatilità dell’idrogeno e il suo utilizzo multiplo è il motivo per cui l’idrogeno può contribuire a decarbonizzare le economie esistenti. Il ruolo dell’idrogeno nel processo di decarbonizzazione può essere riassunto come mostrato nel grafico qui sotto:

Usi consolidati – Idrogeno come materia prima (usi basati sui materiali)

Oggi, l’idrogeno è usato in diversi processi industriali. Tra le altre applicazioni, è importante sottolineare il suo uso come materia prima nell’industria chimica, e anche come agente riduttore nell’industria metallurgica. L’idrogeno è un elemento fondamentale per la fabbricazione dell’ammoniaca, e quindi dei fertilizzanti, e del metanolo, usato nella fabbricazione di molti polimeri. Le raffinerie, dove l’idrogeno è usato per il trattamento dei prodotti petroliferi intermedi, sono un altro settore di utilizzo. Così, circa il 55% dell’idrogeno prodotto nel mondo è usato per la sintesi dell’ammoniaca, il 25% nelle raffinerie e circa il 10% per la produzione di metanolo. Le altre applicazioni a livello mondiale rappresentano solo il 10% circa della produzione globale di idrogeno.

Ammonia – Fertilizzanti

Il più importante composto idrogeno-azoto è l’ammoniaca (NH3), conosciuta anche come azano. Tecnicamente, l’ammoniaca si ottiene su larga scala con il processo Haber-Bosch. Questo processo combina insieme idrogeno e azoto direttamente per sintesi. A tal fine, i materiali di partenza azoto e idrogeno devono prima essere ottenuti. Nel caso dell’azoto, ciò si ottiene tramite la separazione a bassa temperatura dell’aria, mentre l’idrogeno proviene oggi dal reforming a vapore del gas naturale.

Quasi il 90% dell’ammoniaca è destinato alla produzione di fertilizzanti. A questo scopo, una gran parte dell’ammoniaca è convertita in sali solidi di fertilizzante o, dopo l’ossidazione catalitica, in acido nitrico (HNO3) e i suoi sali (nitrati). A causa della sua alta energia di evaporazione, l’ammoniaca è anche usata negli impianti di refrigerazione come refrigerante ecologico e poco costoso; il suo nome tecnico è R-717.

Settori industriali

L’idrogeno è usato in varie applicazioni industriali; queste includono la lavorazione dei metalli (principalmente nella lega dei metalli), la produzione di vetro piano (idrogeno usato come gas inerte o protettivo), l’industria elettronica (usato come gas protettivo e portante, nei processi di deposizione, per la pulizia, nell’incisione, nei processi di riduzione, ecc.La riduzione diretta del minerale di ferro – cioè la separazione dell’ossigeno dal minerale di ferro usando idrogeno e gas di sintesi – potrebbe diventare un importante processo industriale nella produzione di acciaio, perché nel metodo tradizionale dell’altoforno vengono rilasciate grandi quantità di carbonio. Mentre la riduzione diretta con gas naturale è ormai consolidata nella produzione dell’acciaio (World Steel Association 2015), i corrispondenti metodi di produzione basati sull’idrogeno finora esistono solo su scala pilota.

Produzione di carburanti

L’idrogeno è usato per trasformare il petrolio greggio in carburanti raffinati, come benzina e diesel, e anche per rimuovere i contaminanti, come lo zolfo, da questi carburanti.

L’uso dell’idrogeno nelle raffinerie è aumentato negli ultimi anni per diverse ragioni:
(i) le severe normative che richiedono un basso tenore di zolfo nel diesel,
(ii) l’aumento del consumo di petrolio greggio “pesante” di bassa qualità, che richiede più idrogeno per la raffinazione e
(iii) l’aumento del consumo di petrolio nelle economie in via di sviluppo come Cina e India.

Circa il 75% dell’idrogeno attualmente consumato in tutto il mondo dalle raffinerie di petrolio è fornito da grandi impianti di idrogeno che generano idrogeno dal gas naturale o da altri combustibili idrocarburici

L’idrogeno è anche un’importante sostanza di base per produrre metanolo (CH 3 OH). La produzione di metanolo (sintesi del metanolo) avviene per mezzo dell’idrogenazione catalitica del monossido di carbonio.
Il metanolo può essere usato direttamente come combustibile nei motori a combustione interna. È anche usato in celle a combustibile a metanolo diretto o, dopo il reforming, in celle a combustibile PEM. Gli additivi per carburanti sono prodotti dal metanolo, ed è usato per transesterificare gli oli vegetali per formare esteri metilici (biodiesel).

Usi iniziali – usi basati sull’energia

In campo energetico, la maggior parte dell’idrogeno è usato attraverso le celle a combustibile (FC). Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che combina idrogeno e ossigeno per produrre elettricità, con acqua e calore come sottoprodotti. Nella sua forma più semplice, una singola cella a combustibile consiste di due elettrodi – un anodo e un catodo – con un elettrolita tra di loro. All’anodo, l’idrogeno reagisce con un catalizzatore, creando uno ione caricato positivamente e un elettrone caricato negativamente. Il protone passa poi attraverso l’elettrolita, mentre l’elettrone viaggia attraverso un circuito, creando una corrente. Al catodo, l’ossigeno reagisce con lo ione e l’elettrone, formando acqua e calore utile.

L’idrogeno nei trasporti

Il carburante idrogeno è considerato un buon candidato per contribuire alla decarbonizzazione del settore dei trasporti stradali se viene prodotto da fonti di energia rinnovabili attraverso il processo di elettrolisi. In questo caso, i principali vantaggi dei veicoli elettrici a celle a combustibile sono l’emissione zero di CO 2 e di inquinanti (l’emissione allo scarico è solo acqua), e la maggiore efficienza delle celle a combustibile rispetto ai motori a combustione interna. Le autovetture e gli autobus urbani, tra gli altri veicoli, come attrezzature per la movimentazione dei materiali, ecc, sono buoni esempi della nuova tecnologia pronta per la commercializzazione di massa nei prossimi anni.

Le opzioni di applicazione dell’idrogeno come combustibile per la mobilità possono essere differenziate in primo luogo dalla forma chimica o dal legame dell’idrogeno e in secondo luogo dal convertitore di energia per mezzo del quale l’energia immagazzinata nell’idrogeno viene resa disponibile.

• Nell’uso diretto, l’idrogeno molecolare (puro) (H2) viene utilizzato dai mezzi di trasporto direttamente, cioè senza ulteriore conversione, come fonte energetica. In questo caso l’idrogeno può essere utilizzato sia nei motori a combustione interna che nelle celle a combustibile (sistemi di celle a combustibile).
• Nell’uso indiretto, l’idrogeno viene utilizzato per produrre fonti di energia finali o viene convertito per mezzo di ulteriori fasi di conversione in combustibili gassosi o liquidi contenenti idrogeno. Tali combustibili PtG (Power-to-Gas) e PtL (Power-to-Liquids) possono poi a loro volta essere utilizzati in motori termici. L’uso in celle a combustibile sarebbe anche possibile (in alcuni casi), usando un reformer, ma non è economicamente conveniente.

Aviazione

Nell’aviazione civile, le celle a combustibile alimentate a idrogeno sono considerate come potenziali fornitori di energia per gli aerei, come lo sono già da tempo nei viaggi nello spazio. Così, i moduli di celle a combustibile possono fornire elettricità al sistema elettrico dell’aereo come gruppi elettrogeni di emergenza o come unità di potenza ausiliaria. Concetti più avanzati includono l’avviamento del motore principale e l’azionamento della ruota anteriore per i movimenti del campo d’aviazione degli aerei commerciali.

Applicazioni marittime

Come nell’aviazione, le celle a combustibile sono attualmente in fase di test come fornitori di energia per l’alimentazione di bordo. L’uso di celle a combustibile alimentate a idrogeno per la propulsione delle navi, al contrario, è ancora in una fase iniziale di progettazione o di prova – con applicazioni in piccole navi passeggeri, traghetti o imbarcazioni da diporto. La cella a combustibile a bassa e alta temperatura (PEMFC) e la cella a combustibile a ossido solido (SOFC) sono viste come i tipi di cella a combustibile più promettenti per le applicazioni nautiche (EMSA 2017). Ad oggi, tuttavia, nessuna cella a combustibile è stata scalata per e utilizzata su grandi navi mercantili.

Treni

Nelle locomotive elettriche, la forza motrice è fornita tramite conduttori di corrente stazionari (linee aeree, rotaie conduttrici) e collettori di corrente sui veicoli. Tuttavia, per ragioni tecniche, economiche o di altro tipo, non tutte le linee ferroviarie possono essere elettrificate. Specialmente sulle linee con un basso volume di trasporto, l’alto investimento iniziale necessario per l’elettrificazione delle linee non può essere sempre giustificato. Inoltre, le linee aeree non possono essere usate per lo smistamento se le gru sono anche in uso per spostare le merci di trasporto. Nelle miniere sotterranee, invece, i veicoli di trazione devono operare senza inquinanti atmosferici.

I veicoli ferroviari che utilizzano l’idrogeno come accumulatore di energia e fonte di energia possono offrire un’ulteriore alternativa. I veicoli ferroviari a celle a combustibile combinano il vantaggio di un funzionamento senza inquinanti con il vantaggio di bassi costi di infrastruttura, paragonabili a quelli per il funzionamento diesel.

Veicoli per la movimentazione dei materiali

I carrelli industriali a celle a combustibile, come i carrelli elevatori o i carrelli da traino (aeroporti) sono particolarmente adatti per il funzionamento interno, perché non producono emissioni inquinanti locali e solo basse emissioni di rumore. I veicoli a celle a combustibile hanno dei vantaggi rispetto ai carrelli industriali a batteria in termini di rifornimento. Invece di dover sostituire la batteria, i carrelli possono essere riforniti in due o tre minuti.

Occupano meno spazio e sono più economici da mantenere e riparare. I carrelli industriali a celle a combustibile consentono un uso ininterrotto e sono quindi particolarmente adatti al funzionamento della flotta su più turni nella movimentazione dei materiali (FCTO 2014b). Nel caso di grandi flotte di autocarri industriali in funzionamento su più turni, si possono ottenere riduzioni (moderate) dei costi rispetto alla tecnologia delle batterie, e anche la produttività nella movimentazione dei materiali può essere aumentata.

Autobus

In termini di trasporto su strada, gli autobus della rete di trasporto pubblico sono il campo di applicazione più accuratamente testato per l’idrogeno e le celle a combustibile. Dall’inizio degli anni ’90, diverse centinaia di autobus sono stati e sono in funzione con l’idrogeno in tutto il mondo – prevalentemente in Nord America, Europa e sempre più anche in Asia.

Anche se inizialmente l’idrogeno era ancora usato negli autobus con motori a combustione interna, gli sviluppatori di autobus si stanno ora concentrando quasi interamente sugli autobus elettrici a celle combustibili (FCEB). L’uso di piccole flotte di FCEB viene promosso nelle aree urbane come un modo per contribuire allo sviluppo tecnologico e alla politica di aria pulita.
Gli autobus a celle a combustibile hanno ora raggiunto un alto livello di maturità tecnica, anche se non sono ancora in produzione in serie. A causa dei piccoli numeri, fino ad ora sono stati ancora molto più costosi, a circa 1 milione di euro, rispetto agli autobus diesel standard, che costano intorno ai 250.000 euro. Anche i costi di manutenzione sono stati notevolmente ridotti e i tempi di funzionamento affidabili sono aumentati (Hua et al. 2013).

A seconda dei numeri annuali di produzione, i costi di produzione dei FCEB dovrebbero continuare a diminuire, tuttavia, nei progetti futuri. I costi di produzione per gli autobus da 12 metri dovrebbero scendere a circa 450.000 (acquisto di 100 autobus) EUR entro il 2020 e a circa 350.000 EUR entro il 2030, portandoli alla portata degli autobus ibridi diesel.

I moderni autobus a celle a combustibile traggono la loro energia da due stack di celle a combustibile, ciascuno con una potenza di circa 100 kW. Hanno anche una batteria di trazione relativamente piccola e sono in grado di recuperare l’energia dei freni. Inoltre, portano a bordo da 30 a 50 kg circa di idrogeno compresso, immagazzinato in serbatoi a pressione a 350 bar. D’altra parte, alcuni modelli di autobus elettrici a batteria hanno grandi batterie di trazione e solo piccole pile a celle a combustibile, che sono usate come estensori di autonomia.

Gli autobus a celle a combustibile hanno ora un’autonomia da 300 a 450 km e quindi offrono quasi la stessa flessibilità degli autobus diesel nel funzionamento quotidiano. Mentre alcuni vecchi autobus municipali consumano ancora più di 20 kg di idrogeno (piuttosto che 40 litri di diesel) per 100 km, i nuovi autobus a celle a combustibile ora usano solo 8-9 kg per 100 km, dando agli FCEB un vantaggio di efficienza energetica di circa il 40% rispetto agli autobus diesel. Per sviluppare il mercato, sono previsti progetti dimostrativi con grandi flotte in uso a lungo termine. La flotta FCEB in Europa dovrebbe espandersi da 90 a 300-400 veicoli entro il 2020.

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Autovetture

Insieme ai veicoli elettrici a batteria, le autovetture a celle a combustibile alimentate a idrogeno sono l’unica opzione di guida alternativa a zero emissioni per il trasporto privato a motore. Le prime autovetture a celle a combustibile sono state testate negli anni ’60 come progetti dimostrativi. Un nuovo impulso allo sviluppo delle celle a combustibile è arrivato negli anni ’90. Nella maggior parte dei casi i veicoli di prova delle celle a combustibile erano auto convertite che erano state originariamente dotate di un motore a combustione interna. All’epoca, però, i primi modelli di prova non erano ancora competitivi, né tecnicamente né economicamente. Inoltre, fino a circa 10 anni fa i prototipi con motore a benzina venivano ancora testati con l’idrogeno come energia alternativa e carburante a basse emissioni. Si trattava di veicoli con motori bivalenti modificati, che potevano funzionare sia a benzina che a idrogeno. Grazie al combustibile, i motori a combustione interna alimentati a idrogeno non solo raggiungono efficienze un po’ più elevate rispetto al funzionamento a benzina, ma emettono anche livelli molto più bassi di sostanze inquinanti.

Anche se l’idrogeno è un combustibile pulito con eccellenti proprietà fisico-chimiche, non è riuscito a farsi accettare come combustibile per il trasporto stradale motorizzato. Per le autovetture l’attenzione è ora quasi interamente concentrata sulle celle a combustibile alimentate a idrogeno come fonte di energia di propulsione.

Ora c’è una ricchezza di esperienza pratica disponibile con prototipi di autovetture a celle a combustibile. Un certo numero di grandi case automobilistiche stanno iniziando a offrire i primi veicoli di serie che ora sono altrettanto buoni come le auto convenzionali con motore a combustione interna in termini di funzionalità. Il numero di auto a celle a combustibile prodotte nei prossimi anni dovrebbe variare da alcune centinaia a migliaia di unità. Praticamente tutte le autovetture a celle a combustibile oggi sono dotate di celle a combustibile PEM, sia in serie che in parallelo. I prezzi dei veicoli di medie dimensioni dotati di celle a combustibile sono ancora ben al di sopra di quelli delle autovetture con motori a combustione interna – intorno ai 60.000 EUR/USD. Con il lancio della produzione in serie di FCEV, ci si aspetta che i costi e i prezzi dei veicoli scendano sostanzialmente.

Le pile a combustibile negli ultimi modelli di pile a combustibile hanno una potenza di 100 kW o più. Rispetto alle auto elettriche a batteria, hanno un’autonomia maggiore – da 400 a 500 chilometri circa oggi – con un peso inferiore del veicolo e tempi di rifornimento molto più brevi, da tre a cinque minuti. Di solito trasportano da 4 a 7 kg di idrogeno a bordo, immagazzinato in serbatoi a pressione a 700 bar.

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Applicazioni energetiche stazionarie

Le celle a combustibile stazionarie possono essere usate per l’alimentazione decentralizzata in aree off-grid. Il mercato delle applicazioni di alimentazione di riserva (BUP) sta diventando sempre più importante. Le applicazioni di backup includono in primo luogo l’alimentazione di emergenza e in secondo luogo il gruppo di continuità (UPS).

I gruppi elettrogeni di emergenza sono utilizzati per mantenere il funzionamento in caso di lunghe interruzioni di corrente. In questi casi la commutazione dall’alimentazione di rete viene solitamente (brevemente) interrotta.
I gruppi di continuità, invece, vengono utilizzati per proteggere i sistemi tecnici altamente sensibili dalle fluttuazioni dell’alimentazione di rete e dalle interruzioni di breve durata, in modo da garantire un funzionamento continuo. Le aree di utilizzo comprendono in particolare le telecomunicazioni e i sistemi IT, come le torri radio o i centri di elaborazione dati.

In confronto alle centrali termiche convenzionali, le celle a combustibile hanno rendimenti elettrici molto più alti, fino al 60 %, anche per i piccoli impianti. Questo è vantaggioso da un punto di vista exergetico, poiché viene prodotta molta elettricità di alto valore e poco calore.

Nel funzionamento continuo, i backup delle celle a combustibile sono caratterizzati dai seguenti vantaggi: lunga durata di funzionamento autonomo e di servizio, bassi costi di manutenzione grazie alla mancanza di parti mobili e generazione di elettricità silenziosa e senza emissioni (a livello locale).

La capacità di backup delle celle a combustibile stazionarie varia da pochi kW a oltre 1 GWe. Le celle a combustibile con uscite elettriche a basso wattaggio sono spesso celle a combustibile portatili, che offrono vantaggi di peso rispetto alle batterie ricaricabili e ai generatori. Una varietà di diversi tipi di celle a combustibile sono utilizzati nel settore stazionario, in alcuni casi anche per il raffreddamento. Oltre all’idrogeno, vengono usati come combustibili il metanolo, il gas naturale e il gas di petrolio liquefatto.

Energia domestica

Se, oltre all’elettricità generata, viene usato anche il calore prodotto, si parla di processo combinato calore ed energia (CHP). Se tali impianti sono utilizzati nel settore del riscaldamento domestico, sono anche descritti come micro-CHP o mini-CHP a causa della loro minore produzione.

Gli impianti CHP possono essere gestiti con due strategie: L’impianto copre la maggior parte dell’elettricità o della domanda di calore. Se i prezzi dell’elettricità sono alti, un modo di funzionamento guidato dall’elettricità è appropriato. In questo modo, l’acquisto di elettricità dalla rete può essere minimizzato, o l’elettricità prodotta dalla cogenerazione può essere immessa nella rete elettrica e rimborsata.

Il calore prodotto come sottoprodotto della cogenerazione è usato per coprire parte della domanda di calore degli edifici. La modalità di funzionamento prevalentemente basata sull’elettricità comporta un basso rendimento termico dei sistemi di riscaldamento a celle a combustibile. Il restante fabbisogno di calore dell’edificio è coperto da un sistema di riscaldamento aggiuntivo, per esempio una caldaia a condensazione. Per questo motivo, le celle a combustibile sono particolarmente adatte agli edifici con un basso fabbisogno di riscaldamento, come gli edifici a basso consumo energetico o quasi a zero energia. Negli edifici con un maggiore fabbisogno di riscaldamento, vengono utilizzati sistemi di riscaldamento ibridi a celle a combustibile, che comprendono una cella a combustibile e una caldaia a condensazione per coprire i picchi di riscaldamento.

Le celle a combustibile stazionarie nella gamma di potenza fino a 10 kWe sono solitamente celle a combustibile PEM o SO. La gamma tipica di potenza di cogenerazione per case e appartamenti è da 0,7 a 5 kWe. Se i sistemi di celle a combustibile funzionano con il gas naturale come combustibile, si può utilizzare un’infrastruttura di gas naturale esistente. Tuttavia, il combustibile deve essere prima riformato. Nel caso delle celle a combustibile PEM, il reforming avviene all’esterno. A causa delle temperature più alte, il reforming interno è possibile nelle celle a combustibile SO.

Probabilmente il più grande vantaggio delle celle a combustibile rispetto ai processi di energia termica è la conversione elettrochimica diretta durante la generazione di elettricità e di calore e la relativa maggiore efficienza elettrica. In modalità combinata, cioè elettrica e termica, le celle a combustibile possono raggiungere efficienze fino al 95%. L’efficienza elettrica è fino al 45%. Inoltre, i sistemi di celle a combustibile sono caratterizzati da alti rendimenti su tutti i punti di carico, sono silenziosi, hanno bassi costi di manutenzione e operano (localmente) senza emissioni.