L’idrogeno è fondamentale per la decarbonizzazione, sia nell’industria chimica che nei Paesi sviluppati. Tuttavia, mentre è relativamente facile ed economico da produrre, l’H2 puro è notoriamente difficile da trasportare e stoccare. La maggior parte dei metodi richiede alti costi operativi e/o energetici.
L’idrogeno è l’elemento chimico dotato della minore massa tra tutti gli quelli conosciuti e la molecola H2 è la più leggera tra tutte. Pertanto, l’idrogeno ha una densità estremamente bassa alla pressione atmosferica. Per immagazzinarlo e trasportarlo in modo efficiente, deve prima essere condensato. I metodi convenzionali comprendono:
- Compressione ad alta pressione – per l’H2 allo stato gassoso, pressioni da 350 a 700 bar (5.000 a 10.000 psi) o più.
- Liquefazione criogenica – per l’H2 allo stato liquido, raffreddandolo al di sotto del suo punto di ebollizione di -253°C (-423°F, 20,28 K).
- Stoccaggio allo stato solido – adsorbimento per lo stoccaggio dell’idrogeno sulla superficie dei solidi e all’interno della struttura reticolare dei solidi.
Tutti e tre gli approcci comportano elevati costi operativi e/o energetici (Rao & Yoon, 2020):
- I serbatoi che possono resistere a pressioni così elevate richiedono l’uso di materiali compositi costosi.
- La liquefazione dell’idrogeno richiede un processo di raffreddamento a più stadi e una spesa equivalente a circa il 40% del suo contenuto energetico.
- Svantaggi dello stoccaggio in fase solida:
- bassa capacità gravimetrica di <5,5 wt% (il DOE ha come obiettivo il 6 wt%)
- reversibilità limitata a pressioni e temperature ottimali
- instabilità dei materiali di stoccaggio
- necessità di basse temperature ( -321°F / -196°C).
Questi costi, soprattutto in termini di energia, hanno un impatto negativo sul potenziale net-zero dell’uso dell’idrogeno, specialmente se l’energia richiesta proviene da fonti non rinnovabili. A questo problema si aggiungono i costi energetici del trasporto dell’idrogeno su lunghe distanze e del suo stoccaggio per lunghi periodi.
Per questi motivi, i ricercatori stanno lavorando a nuovi modi di immagazzinare l’idrogeno, meno dispendiosi dal punto di vista energetico. Un processo promettente è l’uso di vettori organici liquidi di idrogeno (LOHC), che apre anche nuove possibilità per la cattura del calore e la rigenerazione dei catalizzatori.
Sistemi LOHC: molti aspetti positivi (e alcuni negativi)
Come suggerisce il nome, i vettori di idrogeno organico liquido sono composti di carbonio-idrogeno o carbonio-carbonio che rimangono liquidi a temperatura e pressione ambiente. Per trasportare l’idrogeno, i LOHC reagiscono con l’idrogeno in una reazione catalitica esotermica a pressioni elevate (435-725 psi / 30-50 bar) e ad alte temperature (150-200°C / 302-392°F). Una volta saturi, i LOHC immagazzinano l’idrogeno in modo relativamente sicuro in condizioni ambientali. Quando l’idrogeno è necessario, il LOHC ricco di idrogeno rilascia l’idrogeno in una reazione catalitica endotermica a temperature più elevate (250-320°C / 482-608°F). Questo processo di idrogenazione/deidrogenazione è più facile ed economico rispetto alla compressione o alla liquefazione dell’idrogeno e ha una maggiore capacità di carico rispetto allo stoccaggio in fase solida.
I ricercatori stanno attualmente sperimentando diversi composti ricchi di idrogeno e poveri di idrogeno per vedere quali offrono il maggior numero di vantaggi e il minor numero di svantaggi. Queste coppie includono metilcicloesano (MCH)/toluene, e peridro-dibenziltoluene/dibenziltoluene, decalina/naftalene.
I sistemi LOHC sono oggetto di grande attenzione perché, in linea di principio, consentono di immagazzinare e trasportare quantità massicce di idrogeno per un tempo quasi illimitato, senza il rischio di perdite di idrogeno. Infatti, le uniche limitazioni in termini di quantità e durata dipendono dalle dimensioni del serbatoio e dalle caratteristiche tecniche del composto LOHC. Inoltre, a differenza di altri concetti Power-to-X*, i sistemi LOHC consentono di immagazzinare energia senza rilasciare CO2 o N2 nell’atmosfera. Pertanto, questo tipo di stoccaggio dell’idrogeno è un passo positivo verso la realizzazione del potenziale dell’H2 come combustibile rispettoso del clima.
Tuttavia, i sistemi LOHC non sono privi di aspetti negativi. Ad esempio, il dibenziltoluene è lento a bruciare, ma non deve essere toccato o ingerito ed è pericoloso se entra nella rete idrica. Lavorare con i LOHC richiede l’adozione delle massime precauzioni di sicurezza, necessarie per proteggere l’ambiente, la salute umana e le aziende. Ciò richiede un controllo continuo attraverso una tecnologia di misurazione accurata e affidabile.
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* Power-to-X si riferisce a percorsi che convertono, immagazzinano e riconvertono l’elettricità in eccesso generata da fonti solari, eoliche e altre fonti rinnovabili (energia) in un’ampia gamma di prodotti (X), come carburanti per il trasporto, prodotti chimici e calore. Utilizzato soprattutto nel Nord Europa, questo termine generico è un’abbreviazione per trasformare l’energia verde in carburante verde.