Applicazioni con idrogeno

Idrogeno verde

è prodotto dall'elettrolisi dell'acqua. L'elettricità necessaria a questo scopo proviene da fonti di energia rinnovabili come l'energia solare, eolica o idroelettrica. Per questo motivo, la produzione è neutra dal punto di vista della CO2 e quindi rispettosa del clima.

Idrogeno grigio

è prodotto da combustibili fossili come il gas naturale, il carbone o il petrolio mediante steam reforming. Per la produzione di una tonnellata di idrogeno si producono dieci tonnellate di CO2 come prodotto di scarto. Non è neutrale dal punto di vista climatico.

Idrogeno blu

viene prodotto, come l'idrogeno grigio, tramite steam reforming. Tuttavia, la CO2 rilasciata viene immagazzinata nel sottosuolo (tecnologia CCS: Carbon Capture and Storage). Poiché la CO2 non viene rilasciata nell'atmosfera, l'idrogeno blu è neutrale dal punto di vista della CO2.

Idrogeno turchese

viene prodotto durante la pirolisi del metano. Il gas naturale (metano) viene scisso in idrogeno e carbonio solido in un processo termochimico. Il carbone solido può essere immagazzinato sotto forma di granulato e riutilizzato in un secondo momento.

Idrogeno rosso/rosa

è prodotto per elettrolisi, proprio come l'idrogeno verde. Tuttavia, l'elettricità necessaria proviene dall'energia nucleare. Sebbene questo tipo di idrogeno sia neutro dal punto di vista della CO2, produce rifiuti radioattivi che devono essere stoccati in modo sicuro.

Esistono numerose tecnologie per la produzione di idrogeno. Oggi si ottiene principalmente tramite steam reforming dei combustibili fossili, che produce anche CO2. Un processo che sta diventando sempre più importante per la sua neutralità climatica è l'elettrolisi. In questo processo, l'acqua viene scissa nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno, utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili.

I tipi di elettrolisi più importanti per l'industria sono l'elettrolisi alcalina (AEC), l'elettrolisi a membrana a scambio di protoni (PEM) e l'elettrolisi a ossido solido (SOEC). In tutti i processi, l'acqua viene scissa nei suoi componenti idrogeno e ossigeno. Le tecnologie si differenziano per la scelta della membrana e dell'elettrolita.

Elettrolisi alcalina (AEC)

L'elettrolisi alcalina è la tecnologia più utilizzata nella pratica. Come elettrolita si utilizza una soluzione di idrossido di potassio (KOH). La tecnologia è già disponibile su larga scala. Oltre ai bassi costi di investimento e alla lunga durata, non vengono utilizzate praticamente materie prime critiche. Lo svantaggio principale è la scarsa risposta dinamica alle variazioni di carico.

Elettrolisi a membrana a scambio di protoni (PEMEC)

Rispetto all'elettrolisi alcalina, l'elettrolisi a membrana a scambio protonico è molto più giovane, ma è anche disponibile su scala industriale. Il componente centrale è la membrana di scambio protonico. Assicura che i due prodotti, l'ossigeno e l'idrogeno, non si mescolino, garantendo una maggiore purezza dell'idrogeno. L'elettrolisi PEM consente rapidi cambi di carico e un design compatto. D'altra parte, esistono materiali catalizzatori costosi.

Elettrolisi a ossido solido o ad alta temperatura (SOEC)

L'acqua viene immessa nel sistema come vapore acqueo. Di conseguenza, si possono ottenere efficienze molto elevate, fino all'85%. Le celle funzionano a temperature fino a 900 C. Un materiale ceramico solido funge da elettrolita. Un altro vantaggio del SOEC è che è adatto anche all'elettrolisi del CO per produrre gas di sintesi. Tuttavia, le alte temperature comportano una bassa capacità di variazione del carico e un elevato fabbisogno di materiale.

Esistono numerose tecnologie per lo stoccaggio dell'idrogeno. I sistemi di accumulo fisico hanno una maggiore densità energetica gravimetrica e volumetrica. I serbatoi di stoccaggio a base di materiali consentono lo stoccaggio a pressioni e temperature gestibili. Le due tecnologie più importanti sono lo stoccaggio di idrogeno gassoso a pressione fino a 700 bar e di idrogeno liquido a -253 C in serbatoi isolati sotto vuoto. Altre tecnologie includono lo stoccaggio di idruri metallici, LOHC o lo stoccaggio di sostanze chimiche come l'ammoniaca o il metanolo.

L'idrogeno può essere utilizzato in un'ampia gamma di settori. La domanda maggiore è prevista nell'industria, dove l'idrogeno è necessario per le sue proprietà chimiche. Le possibili applicazioni includono la produzione di ammoniaca e metanolo o la produzione di acciaio e cemento. Si prevede una domanda elevata anche nel settore della mobilità. L'idrogeno viene utilizzato laddove le batterie non offrono alternative, ovvero per carichi elevati e lunghe percorrenze. Queste includono applicazioni aerospaziali e marittime, nonché il settore dei trasporti.

L'idrogeno è costituito da un solo protone e da un solo elettrone. È quindi l'elemento più piccolo e leggero, motivo per cui si diffonde molto rapidamente attraverso una varietà di materiali. A seconda del materiale di base, della pressione, della temperatura e della durata dell'esposizione, ciò può portare all'infragilimento da idrogeno e quindi alla fatica prematura del componente. Per garantire la tenuta e la sicurezza dei tubi, è essenziale selezionare il materiale e il design dei componenti più adatti all'applicazione.

Gli acciai austenitici cromo-nichelici ad alta lega con un basso contenuto di carbonio e un elevato contenuto di nichel sono i più adatti per l'impiego nelle applicazioni con idrogeno. Il basso tenore di carbonio e l'elevato contenuto di nichel rendono questi acciai altamente resistenti alla corrosione intergranulare e impediscono in larga misura l'infragilimento da idrogeno.

L'infragilimento da idrogeno si riferisce alla penetrazione e all'accumulo di idrogeno atomico nella struttura reticolare di un materiale. Ciò provoca una riduzione della tenacità, che può portare a una fatica prematura dovuta a cricche o a una propagazione molto accelerata delle cricche e a un cedimento improvviso del materiale. L'infragilimento dell'idrogeno dipende fortemente dal materiale, dalla pressione, dalla temperatura e da molti altri fattori di influenza.