Stoccaggio idrogeno: come avviene, sicurezza e sostenibilità

L’idrogeno è il vettore energetico chiave per il futuro del settore. Con il suo elevato potere calorifico e la mancata produzione di anidride carbonica durante la combustione, è l’ideale per rispondere alla crescente richiesta di energia pulita. Alcune delle tecnologie per la produzione e l’utilizzo dell’idrogeno sono già mature e diffuse. La produzione di idrogeno avviene oggi principalmente a partire dai combustibili fossili. In misura minore si utilizzano altre tecnologie come l‘elettrolisi dell’acqua. L’idrogeno viene utilizzato soprattutto nelle celle a combustibile e nei motori a combustione interna, per l’elevata efficienza energetica. Lo stoccaggio idrogeno però è un aspetto delicato, a causa della ridotta densità. Insieme alle diverse problematiche di distribuzione e costi, è tra le cause della mancata diffusione di questa tecnologia su larga scala.

Immagazzinamento idrogeno: il problema della densità

A temperatura e pressione ambiente, l’idrogeno si presenta nella fase gassosa, ma con una densità molto bassa, pari a 0,09 kg/m3. Per avere un’idea di quanto sia scarso questo valore, basta pensare che la benzina nelle stesse condizioni supera i 710 kg/m3. Alla densità dobbiamo aggiungere una considerazione sul potere calorifico: l’idrogeno sviluppa un’energia di 120 MJ mentre la benzina solo 43,5 MJ. A parità di massa, l’idrogeno quindi svilupperebbe il triplo dell’energia della benzina. Ma, poiché la densità è così ridotta, un metro cubo di idrogeno sviluppa poco meno di 3 MJ, mentre la benzina ne sviluppa 31 mila. Le tecnologie che vengono sviluppate devono tenere conto di questo aspetto. In tutti i casi l’obiettivo è quello dell’aumento della densità, in modo da rendere possibile lo stoccaggio senza avere bisogno di volumi eccessivamente elevati.

Stoccaggio idrogeno: gas compresso

La tecnologia che attualmente è più diffusa nelle applicazioni pratiche su scala mondiale è quella dello stoccaggio come gas compresso. Avviene in genere a temperatura ambiente e pressioni fino a 700 bar. La compressione di idrogeno gassoso è un processo semplice ed economico. I serbatoi possono essere riempiti e svuotati con velocità elevate. L’idrogeno gassoso però, anche se compresso, ha una densità comunque bassa su base volume. In queste condizioni la densità diventa di 39,1 kg/m3, molto inferiore a quella dei combustibili tradizionali. L’esercizio ad alta pressione però rende problematica la gestione dei serbatoi in termini di sicurezza imposta dalla normativa. Per realizzare bombole che siano capaci di operare a 700 bar in condizioni di sicurezza, servono materiali speciali, in genere materiali compositi, come speciali resine con fibre di carbonio e alluminio.

Stoccaggio idrogeno: stato liquido

Lo stoccaggio allo stato liquido avviene a circa 20 K e pressione atmosferica o superiore. In questo modo è possibile raggiungere densità superiori rispetto a quelle ottenute con la fase gassosa. Il problema è che la liquefazione di idrogeno è un processo molto costoso in termini di energia. Per ottenere un chilogrammo di idrogeno liquido servono tra i 4 e i 10 kWh. Si tratta di una quantità di energia di circa un terzo rispetto all’energia di combustione che è contenuta nei legami chimici dell’idrogeno. La perdita energetica che si ottiene quindi è tutt’altro che trascurabile. Ma c’è un secondo problema. Poiché l’idrogeno liquido esiste solo a temperature molto basse, i serbatoi vengono in genere utilizzati a -161 °C, il punto di liquefazione dell’idrogeno. Sicuramente allora entrerà calore dall’esterno e perciò è inevitabile che una parte di idrogeno venga persa per evaporazione. Mediamente, ogni giorno viene perso circa il 2-3% di idrogeno.

Stoccaggio idrogeno: criocompressione

Una recente innovazione è quella dello stoccaggio di idrogeno a temperature criogeniche. In questo caso si parla di idrogeno criocompresso e si trova nello stato supercritico. L’immagazzinamento idrogeno avviene quindi a temperature di circa 20 K e pressioni di circa 35 MPa. In questo caso, l’idrogeno viene stoccato ad alta densità, come nel caso dell’idrogeno liquido, ma si evitano le perdite per evaporazione perché questo metodo non richiede liquefazione. Ciò consente di contenere anche i consumi energetici.

Stoccaggio idrogeno: assorbimento

Alcune leghe metalliche possono assorbire un’elevata quantità di idrogeno in rapporto al loro volume. Lo stoccaggio chimico di idrogeno rispetta i requisiti di sicurezza perché richiede pressioni dell’ordine di quella ambientale. Le dispersioni termiche sono molto basse e si possono ritenere trascurabili, anche nel caso di guasti. Tuttavia, il processo di assorbimento su materiali ha una cinetica di reazione lenta e scarsa reversibilità. Di recente si è scoperto che le strutture leggere formate da nanotubi di carbonio sono molto promettenti per lo stoccaggio chimico. Le ricerche in questo settore sono ancora in corso, ma si tratta di una tecnologia che sicuramente in futuro avrà ampie possibilità di sviluppo.

Sicurezza dei serbatoi

La normativa classifica l’idrogeno come sostanza “estremamente infiammabile” che può originare esplosioni e incendi. Il rischio di esplosione riguarda gli ambienti chiusi e non ventilati in maniera opportuna. Infatti, poiché l’idrogeno è il materiale più leggero in natura, tende a stratificarsi nelle zone alte, dove possono essere presenti delle sorgenti di innesco, per esempio una lampada. Soprattutto in locali come le autorimesse, per evitare esplosioni occorre installare dispositivi di sicurezza e prevedere la ventilazione dell’ambiente. Inoltre, l’idrogeno è una sostanza reattiva, che in presenza di ossigeno tende facilmente a liberare energia. Nel settore della mobilità però il rischio è paragonabile a quello degli altri carburanti. Non esiste quindi una normativa specifica per l’idrogeno, ma vale quella comune a tutti i gas infiammabili. Nel caso di idrogeno liquido, le elevate densità e pressioni insieme con la gestione di temperature criogeniche rende necessario un opportuno controllo. I dispositivi come i dischi di rottura che scaricano le sovrappressioni sono installati proprio per impedire che la pressione aumenti oltre i limiti consentiti.

Il futuro dell’idrogeno

Lo stoccaggio dell’idrogeno è fondamentale nella visione futura di un’economia all’idrogeno. Le applicazioni fisse e mobili hanno un ruolo fondamentale per avere un immagazzinamento dell’energia elettrica da fonti rinnovabili, anche se la trasformazione da energia a idrogeno non è ancora una tecnologia matura. Esistono ricerche su metodi alternativi per lo stoccaggio idrogeno, utilizzando ad esempio ammoniaca, idrocarburi sintetici o idruri metallici. Il mondo dello stoccaggio si presta a nuove innovazioni, ma ciò che è certo è che l’idrogeno è una risposta per le sfide del riscaldamento globale. Investire nell’idrogeno, soprattutto quello verde, vuol dire investire in un futuro di energia senza emissioni.