IDROGENO: CHE COS'È

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L’idrogeno è un elemento chimico della tavola periodica ed è il più abbondante dell’Universo. Sulla tavola periodica degli elementi è indicato con la lettera H e, in virtù della posizione che occupa, è il più leggero tra tutti. Sulla Terra è presente ampiamente nell’acqua, nei composti organici e negli esseri viventi, mentre nelle stelle lo troviamo allo stato gassoso.

L’idrogeno è un combustibile poco inquinante e con un grande potere calorifico che lo rende particolarmente efficiente. A differenza degli altri combustibili che hanno un forte impatto sul nostro pianeta, l’idrogeno non provoca piogge acide, non riduce l’ozono e non genera emissioni pericolose. Si stanno perciò studiando tutte le sue applicazioni come fonte di energia alternativa, in particolare nel mercato automobilistico e aeronautico. 

Idrogeno: energia

L’idrogeno è uno degli elementi più semplici dal punto di vista chimico molecolare: è composto solo da un protone e un elettrone, ma - grazie al suo elevato contenuto energetico per unità di massa - è una fonte di energia molto interessante. Si tratta infatti del principale combustibile nell’Universo: le stelle sono quasi interamente composte da idrogeno sotto forma di plasma, necessario per le reazioni nucleari.

Nonostante sia l’elemento più abbondante dell’Universo, sulla Terra è difficile trovarlo allo stato puro, ma solamente combinato con altri elementi; l’esempio più tradizionale è l’acqua che è formata da due atomi di idrogeno e una di ossigeno. Per ottenere l’idrogeno allo stato puro è necessario produrlo attraverso determinati processi.

L’energia dall’idrogeno oggi è impiegata nel mercato chimico ed elettronico, nonché in aeronautica, come carburante alternativo. Ma in che misura l’idrogeno è fonte di energia alternativa? L’idrogeno è un combustibile pulito e poco inquinante, ma non essendo presente sulla Terra le sue fasi di produzione richiedono un elevato consumo di energia. Esistono principalmente due modi per produrre idrogeno:

  • Steam Reforming: è un processo di produzione dell’idrogeno a partire dal metano;
  • Elettrolisi: si tratta di un processo che prevede l’utilizzo di energia elettrica ed acqua ed il cui risultato è la produzione di idrogeno e ossigeno. Nel caso in cui l’energia elettrica venga prodotta solo tramite fonti rinnovabili è possibile considerare l’impatto dell’idrogeno sull’ambiente bassissimo.

Come produrre idrogeno da elettrolisi

L’elettrolisi è un processo attraverso il quale l’energia elettrica si trasforma in energia chimica. Etimologicamente “elettrolisi” significa “rompere con l’elettricità” ed infatti indica tutti quei processi attraverso cui una sostanza viene scissa nei suoi elementi costitutivi.

L’elettrolisi dell’acqua è un processo attraverso cui si scindono le molecole dell’acqua (H20) in idrogeno (H) e ossigeno (O). Per farlo viene impiegata l’energia elettrica. Si tratta del processo di estrazione di idrogeno meno inquinante, ma solo se l’energia elettrica viene prodotta con fonti alternative, come l’energia eolica o solare.

Come estrarre l’idrogeno dall’acqua? È necessaria una cella elettrolitica in cui la corrente elettrica dissocia la molecola dell’acqua in ioni H+ e OH- che grazie al catodo (elettrodo caricato positivamente) e all’anodo (elettrodo caricato negativamente) porteranno alla formazione di ossigeno e di idrogeno in stato gassoso.

Come stoccare l'idrogeno?

L’idrogeno, come già anticipato, è un gas largamente diffuso nell’universo, ma sul nostro pianeta non è presente allo stato puro. Per questo motivo è necessario produrre l’idrogeno. Una volta ottenuto il passo successivo è immagazzinarlo in maniera adatta per poterlo trasportare altrove.

Lo stoccaggio dell’idrogeno può avvenire in diverse forme:

  • Gas a pressione: l’idrogeno può essere immagazzinato come gas a pressione. Attualmente è il metodo più comune, perché economico, ma il volume che occupa l’idrogeno è elevato, ragion per cui sono necessari contenitori e serbatoi di grandi dimensioni.
  • Gas liquefatto: l’idrogeno può essere trasportato anche allo stadio liquido, ma è più costoso da immagazzinare perché per diventare liquido è necessario sottoporlo a compressione e ad una temperatura di -253°. Una volta liquido, è molto pericoloso da trasportare, per questo motivo i contenitori per lo stoccaggio e il trasporto devono avere requisiti di isolamento termico molto severi.
  • Idruri chimici: per superare le difficoltà di trasporto dell’idrogeno liquido o a gas si possono sfruttare anche i composti chimici ricchi di idrogeno, come l’ammoniaca, il metilcicloesano, il sodio boroidruro, ecc. Tali composti sono detti idruri chimici e possono cedere e riacquistare idrogeno in modo reversibile.
  • Idruri metallici: esistono dei metalli e delle leghe metalliche che trattengono idrogeno attraverso un processo reversibile. Una volta stoccato, l’idrogeno viene rilasciato a temperature e pressioni differenti a seconda della lega utilizzata.

Idrogeno: metodi di stoccaggio innovativi

Oggi la produzione dell’idrogeno sta avendo un notevole successo, grazie ai numerosi finanziamenti erogati per la ricerca sulle automobili ad idrogeno. L’utilizzo di questo elemento come combustibile è fortemente interessante per il mercato automobilistico, sia perché è più efficiente rispetto agli altri combustibili utilizzati sia perché l’idrogeno ha un basso impatto ambientale.

Sono state quindi condotte rilevanti ricerche in merito alla produzione, allo stoccaggio e al trasporto dell’idrogeno, che hanno prodotto interessanti risultati, tra cui:

  • nanotubi sono delle micro-sferule in carbonio oppure in silicio, con cui si può trasportare l'idrogeno. I nanotubi di carbonio assorbono il 4,2% in peso di idrogeno e hanno la peculiarità di rilasciare idrogeno a temperatura ambiente, mentre quelli in silicio possono immagazzinare quantità più elevate di idrogeno ma sono ancora in fase di sperimentazione.
  • Materiali adsorbenti. L'adsorbimento è la capacità di un materiale di trattenere sulla propria superficie molecole, atomi o ioni di altre sostanze a contatto con la superficie stessa. Una delle strade tracciate dalla ricerca è quella di utilizzare materiali adsorbenti per lo stoccaggio dell’idrogeno. Questa scelta avrebbe dei vantaggi rispetto agli idruri metallici perché i materiali adsorbenti hanno una densità più contenuta.
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