Centrali elettriche a idrogeno: tendenze e prospettive

Sebbene le centrali nucleari siano state a lungo considerate molto sicure, l'incidente alla centrale nucleare giapponese di Fukushima nel 2011 ha costretto ancora una volta gli ingegneri energetici di tutto il mondo a riflettere sui possibili problemi ambientali associati a questo tipo di energia.

I governi di molti paesi, tra cui alcuni paesi dell'UE, hanno dichiarato la chiara intenzione di trasferire le proprie economie alle energie alternative, senza risparmiare investimenti, promettendo miliardi di euro per questo settore nei prossimi 5-10 anni. E uno dei tipi più promettenti e sicuri per l'ambiente di tale alternativa è l'idrogeno.

Se il carbone, il gas e il petrolio si esauriscono, allora c'è semplicemente idrogeno illimitato negli oceani, sebbene non sia immagazzinato lì nella sua forma pura, ma sotto forma di un composto chimico con ossigeno - sotto forma di acqua.

L'idrogeno è la fonte di energia più rispettosa dell'ambiente. Ottenere, trasportare, immagazzinare e utilizzare l'idrogeno richiede di ampliare la nostra conoscenza della sua interazione con i metalli.

Ci sono molti problemi qui.Eccone solo alcuni che attendono la loro soluzione: la produzione di isotopi di idrogeno altamente puri utilizzando filtri a membrana (ad esempio, dal palladio), la creazione di batterie all'idrogeno tecnologicamente vantaggiose, il problema della lotta al costo dell'idrogeno dei materiali, ecc.

Sulla sicurezza ambientale dell'idrogeno, rispetto ad altri tipi tradizionali di fonti energetiche, nessuno dubita: il prodotto della combustione dell'idrogeno è di nuovo acqua sotto forma di vapore, mentre è completamente atossico.

L'idrogeno come combustibile può essere facilmente utilizzato nei motori a combustione interna senza modifiche fondamentali, così come nelle turbine, e si otterrà più energia che dalla benzina. Se il calore specifico di combustione della benzina nell'aria è di circa 44 MJ / kg, per l'idrogeno questa cifra è di circa 141 MJ / kg, che è più di 3 volte superiore. Anche i prodotti petroliferi sono tossici.

Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno non causeranno particolari problemi, la logistica è simile a quella del propano, ma l'idrogeno è più esplosivo del metano, quindi qui ci sono ancora alcune sfumature.

Le soluzioni di stoccaggio dell'idrogeno sono le seguenti. Il primo modo è la tradizionale compressione e liquefazione, quando sarà necessario garantire la sua temperatura ultra bassa per mantenere lo stato liquido dell'idrogeno. Questo è costoso.

Il secondo modo è più promettente: si basa sulla capacità di alcune spugne metalliche composite (leghe altamente porose di vanadio, titanio e ferro) di assorbire attivamente l'idrogeno e, a basso riscaldamento, rilasciarlo.

Le principali compagnie petrolifere e del gas come Enel e BP stanno attivamente sviluppando l'energia dell'idrogeno oggi.Qualche anno fa l'italiana Enel ha avviato la prima centrale al mondo a idrogeno, che non inquina l'atmosfera e non emette gas serra. Ma il principale punto scottante in questa direzione risiede nella seguente domanda: come rendere più economica la produzione industriale di idrogeno?

Il problema è che elettrolisi dell'acqua richiede molta elettricità, e se la produzione di idrogeno viene avviata proprio attraverso l'elettrolisi dell'acqua, allora per l'economia di un singolo paese questo metodo di produzione industriale di idrogeno sarà molto costoso: tre volte, se non quattro volte , in termini di calore equivalente di combustione dei prodotti petroliferi.Inoltre, da un metro quadrato di elettrodi in un elettrolizzatore industriale si possono ottenere al massimo 5 metri cubi di gas all'ora. Questo è lento ed economicamente poco pratico.

Uno dei modi più promettenti per produrre idrogeno in volumi industriali è il metodo plasma-chimico. Qui, l'idrogeno è ottenuto in modo più economico rispetto all'elettrolisi dell'acqua. Nei plasmatron non in equilibrio, una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un gas ionizzato in un campo magnetico e si verifica una reazione chimica nel processo di trasferimento di energia dagli elettroni "riscaldati" alle molecole del gas.

La temperatura del gas è compresa tra +300 e +1000 °C, mentre la velocità di reazione che porta alla produzione di idrogeno è superiore a quella dell'elettrolisi. Questo metodo consente di ottenere idrogeno, che risulta essere due volte (non tre volte) più costoso del combustibile tradizionale ottenuto dagli idrocarburi.

Il processo plasma-chimico avviene in due fasi: prima l'anidride carbonica si decompone in ossigeno e monossido di carbonio, quindi il monossido di carbonio reagisce con il vapore acqueo, che porta all'idrogeno e alla stessa anidride carbonica che era all'inizio (non viene consumata, se guardi l'intera trasformazione del ciclo).

Nella fase sperimentale - la produzione plasma-chimica di idrogeno dall'idrogeno solforato, che rimane un prodotto dannoso ovunque nello sviluppo di giacimenti di gas e petrolio. Il plasma rotante espelle semplicemente le molecole di zolfo dalla zona di reazione mediante forze centrifughe e la reazione inversa di conversione in idrogeno solforato è esclusa. Questa tecnologia eguaglia il prezzo dell'idrogeno prodotto con tipi tradizionali di combustibili fossili, inoltre, lo zolfo viene estratto in parallelo.

E il Giappone ha già intrapreso oggi lo sviluppo pratico dell'energia dell'idrogeno. Kawasaki Heavy Industries e Obayashi prevedono di iniziare a utilizzare l'energia dell'idrogeno per alimentare la città di Kobe entro il 2018. Diventeranno pionieri tra coloro che inizieranno effettivamente a utilizzare l'idrogeno per la produzione di elettricità su larga scala, praticamente senza emissioni nocive.

Una centrale a idrogeno da 1 MW sarà costruita direttamente a Kobe, dove fornirà elettricità a un centro congressi internazionale e uffici di lavoro per 10.000 residenti locali. E il calore generato nella stazione nel processo di generazione di elettricità dall'idrogeno diventerà un riscaldamento efficiente per le case locali e gli edifici per uffici.

Le turbine a gas prodotte da Kawasaki Heavy Industries, ovviamente, non saranno alimentate con idrogeno puro, ma con una miscela di carburante contenente solo il 20% di idrogeno e l'80% di gas naturale.L'impianto consumerà l'equivalente di 20.000 veicoli a celle a combustibile a idrogeno all'anno, ma questa esperienza segnerà l'inizio di un importante sviluppo dell'energia a idrogeno in Giappone e oltre.

Le riserve di idrogeno saranno immagazzinate direttamente sul territorio della centrale e, anche in caso di terremoto o altro disastro naturale, ci sarà carburante nella stazione, la stazione non sarà tagliata dalle comunicazioni vitali. Entro il 2020, il porto di Kobe disporrà di infrastrutture per le principali importazioni di idrogeno poiché Kawasaki Heavy Industries prevede di sviluppare una vasta rete di centrali elettriche a idrogeno in Giappone.