Introduceremu "l'idrogenu", a prossima generazione d'energia chì hè neutra in carbone. L'idrogenu hè divisu in trè tippi: "idrogenu verde", "idrogenu blu" è "idrogenu grisgiu", ognunu di i quali hà un metudu di pruduzzione differente. Spiegheremu ancu ogni metudu di fabricazione, e proprietà fisiche cum'è elementi, i metudi di almacenamentu / trasportu è i metudi d'usu. È introdurraghju ancu perchè hè a fonte d'energia dominante di a prossima generazione.
Elettrolisi di l'acqua per pruduce idrogenu verde
Quandu si usa l'idrogenu, hè impurtante "pruduce idrogenu" in ogni modu. U modu più faciule hè di "elettrolizà l'acqua". Forse l'avete fattu in scienze à a scola elementare. Riempite u bicchieru cù acqua è elettrodi in acqua. Quandu una batteria hè cunnessa à l'elettrodi è energizzata, e seguenti reazioni si verificanu in l'acqua è in ogni elettrodu.
À u catodu, H+ è elettroni si combinanu per pruduce idrogenu gasosu, mentre chì l'anodu produce ossigenu. Eppuru, questu approcciu hè bè per l'esperimenti scientifichi sculari, ma per pruduce idrogenu industrialmente, devenu esse preparati meccanismi efficienti adatti per a pruduzzione à grande scala. Questa hè "elettrolisi à membrana elettrolitica polimerica (PEM)".
In questu metudu, una membrana semipermeabile polimerica chì permette u passaghju di ioni d'idrogenu hè inserita trà un anodu è un catodu. Quandu l'acqua hè versata in l'anodu di u dispusitivu, l'ioni d'idrogenu prudutti da l'elettrolisi si movenu attraversu una membrana semipermeabile finu à u catodu, induve diventanu idrogenu moleculare. D’altronde, l'ioni d'ossigenu ùn ponu micca passà per a membrana semipermeabile è diventà molecule d'ossigenu à l'anodu.
Ancu in l'elettrolisi alcalina di l'acqua, si crea idrogenu è ossigenu separendu l'anodu è u catodu per mezu di un separatore attraversu u quale solu l'ioni idrossidu ponu passà. Inoltre, ci sò metudi industriali cum'è l'elettrolisi à vapore à alta temperatura.
Eseguendu sti prucessi à grande scala, si ponu ottene grandi quantità d'idrogenu. In u prucessu, si produce ancu una quantità significativa d'ossigenu (a metà di u vulume d'idrogenu pruduttu), cusì ùn avaria micca impattu ambientale negativu s'ellu hè liberatu in l'atmosfera. Tuttavia, l'elettrolisi richiede assai elettricità, dunque l'idrogenu senza carbone pò esse pruduttu s'ellu hè pruduttu cù elettricità chì ùn usa micca combustibili fossili, cum'è e turbine eoliche è i pannelli solari.
Pudete ottene "idrogenu verde" elettrolizzendu l'acqua aduprendu energia pulita.
Ci hè ancu un generatore d'idrogenu per a pruduzzione à grande scala di questu idrogenu verde. Usendu PEM in a sezione di l'elettrolizzatore, l'idrogenu pò esse pruduttu in continuu.
Idrogenu blu fattu da combustibili fossili
Dunque, chì sò altri modi per fà idrogenu ? L'idrogenu esiste in i combustibili fossili cum'è u gasu naturale è u carbone cum'è sustanzi diversi da l'acqua. Per esempiu, cunsiderate u metanu (CH4), u cumpunente principale di u gasu naturale. Ci sò quattru atomi d'idrogenu quì. Pudete ottene l'idrogenu eliminendu questu idrogenu.
Unu di questi hè un prucessu chjamatu "rifurmazione di metanu à vapore" chì usa u vapore. A formula chimica di stu metudu hè a seguente.
Cum'è pudete vede, u monossidu di carbonu è l'idrogenu ponu esse estratti da una sola molecula di metanu.
In questu modu, l'idrogenu pò esse pruduttu per via di prucessi cum'è a "rifurmazione à vapore" è a "pirolisi" di u gasu naturale è di u carbone. "Idrogenu blu" si riferisce à l'idrogenu pruduttu in questu modu.
In questu casu, però, u monossidu di carbonu è u diossidu di carbonu sò prudutti cum'è sottoprodotti. Dunque, ci vole à riciclalli prima ch'elli sianu liberati in l'atmosfera. U diossidu di carbonu derivatu, s'ellu ùn hè micca recuperatu, diventa gasu d'idrogenu, cunnisciutu cum'è "idrogenu grisgiu".
Chì tipu d'elementu hè l'idrogenu?
L'idrogenu hà un numeru atomicu di 1 è hè u primu elementu di a tavula periodica.
U numeru d'atomi hè u più grande di l'universu, rapprisentendu circa u 90% di tutti l'elementi di l'universu. L'atomu u più chjucu custituitu da un protone è un elettrone hè l'atomu d'idrogenu.
L'idrogenu hà dui isotopi cù neutroni attaccati à u nucleu. Unu "deuteriu" ligatu à neutroni è dui "triziu" ligatu à neutroni. Quessi sò ancu materiali per a generazione di energia da fusione.
Dentru à una stella cum'è u sole, si faci a fusione nucleare da l'idrogenu à l'eliu, chì hè a fonte d'energia per chì a stella brilli.
Tuttavia, l'idrogenu esiste raramente cum'è gasu nantu à a Terra. L'idrogenu forma cumposti cù altri elementi cum'è l'acqua, u metanu, l'ammonia è l'etanolu. Siccomu l'idrogenu hè un elementu ligeru, quandu a temperatura aumenta, a velocità di muvimentu di e molecule d'idrogenu aumenta, è scappa da a gravità di a terra versu u spaziu.
Cumu aduprà l'idrogenu? Aduprà per combustione
Allora, cumu si usa "l'idrogenu", chì hà attiratu l'attenzione mundiale cum'è fonte d'energia di prossima generazione? Si usa in dui modi principali: "cumbustione" è "cella à combustibile". Cuminciamu cù l'usu di "brusgiatura".
Ci sò dui tipi principali di combustione aduprati.
U primu hè cum'è carburante per razzi. U razziu H-IIA di u Giappone usa u gasu d'idrogenu "idrogenu liquidu" è "ossigenu liquidu" chì hè ancu in statu criogenicu cum'è carburante. Quessi dui sò cumminati, è l'energia termica generata in quellu mumentu accelera l'iniezione di e molecule d'acqua generate, vulendu in u spaziu. Tuttavia, postu chì hè un mutore tecnicamente difficiule, eccettu per u Giappone, solu i Stati Uniti, l'Europa, a Russia, a Cina è l'India anu riesciutu à cumminà stu carburante.
A seconda hè a generazione d'energia. A generazione d'energia da e turbine à gas usa ancu u metudu di cumbinà l'idrogenu è l'ossigenu per generà energia. In altre parolle, hè un metudu chì esamina l'energia termica prodotta da l'idrogenu. In e centrale termiche, u calore di a combustione di carbone, petroliu è gas naturale produce vapore chì aziona e turbine. Se l'idrogenu hè adupratu cum'è fonte di calore, a centrale elettrica serà neutra in carbonu.
Cumu aduprà l'idrogenu? Adupratu cum'è una pila à carburante
Un altru modu per aduprà l'idrogenu hè cum'è una pila à combustibile, chì cunverte l'idrogenu direttamente in elettricità. In particulare, Toyota hà attiratu l'attenzione in Giappone prumuvendu veiculi alimentati à l'idrogenu invece di veiculi elettrichi (VE) cum'è alternativa à i veiculi à benzina cum'è parte di e so contromisure per u riscaldamentu climaticu.
In particulare, facemu a prucedura inversa quandu introducemu u metudu di fabricazione di "idrogenu verde". A formula chimica hè a seguente.
L'idrogenu pò generà acqua (acqua calda o vapore) mentre genera elettricità, è pò esse valutatu perchè ùn impone micca un pesu à l'ambiente. D’altronde, stu metudu hà una efficienza di generazione di energia relativamente bassa di 30-40%, è richiede platinu cum'è catalizatore, ciò chì richiede costi aumentati.
Attualmente, usemu pile à combustibile elettroliticu polimericu (PEFC) è pile à combustibile à acidu fosforicu (PAFC). In particulare, i veiculi à pile à combustibile utilizanu u PEFC, dunque si pò aspittà chì si sparghji in u futuru.
U almacenamentu è u trasportu di l'idrogenu sò sicuri?
Avà, pensemu chì capite cumu si fabrica è si usa u gasu d'idrogenu. Allora, cumu si conserva questu idrogenu ? Cumu si ghjunghje induve ne avete bisognu ? È chì ne hè di a sicurità in quellu mumentu ? Vi spiegheremu.
In fatti, l'idrogenu hè ancu un elementu assai periculosu. À u principiu di u XXu seculu, avemu utilizatu l'idrogenu cum'è gasu per fà flottà palloncini, palloncini è dirigibili in u celu perchè era assai ligeru. Tuttavia, u 6 di maghju di u 1937, in New Jersey, USA, hè accaduta l'"esplosione di u dirigibile Hindenburg".
Dapoi l'accidentu, hè statu largamente ricunnisciutu chì u gasu d'idrogenu hè periculosu. Soprattuttu quandu piglia focu, esploderà viulentamente cù l'ossigenu. Dunque, "tene luntanu da l'ossigenu" o "tene luntanu da u calore" hè essenziale.
Dopu avè pigliatu ste misure, avemu trovu un metudu di spedizione.
L'idrogenu hè un gasu à temperatura ambiente, dunque ancu s'ellu hè sempre un gasu, hè assai ingombrante. U primu metudu hè di applicà una alta pressione è cumpressà cum'è un cilindru quandu si facenu bevande gassate. Preparate un serbatoiu speciale per alta pressione è conservatelu in cundizioni di alta pressione cum'è 45Mpa.
Toyota, chì sviluppa veiculi à pile à combustibile (FCV), sviluppa un serbatoiu d'idrogenu à alta pressione in resina chì pò sustene una pressione di 70 MPa.
Un altru metudu hè di rinfriscà finu à -253 °C per fà idrogenu liquidu, è almacenà è trasportà in serbatoi speciali insulati da u calore. Cum'è u GNL (gas naturale liquefattu) quandu u gas naturale hè impurtatu da l'esteru, l'idrogenu hè liquefattu durante u trasportu, riducendu u so vulume à 1/800 di u so statu gassoso. In u 2020, avemu cumpletatu u primu vettore d'idrogenu liquidu di u mondu. Tuttavia, questu approcciu ùn hè micca adattatu per i veiculi à pile à combustibile perchè richiede assai energia per rinfriscà.
Ci hè un metudu di almacenamentu è di spedizione in serbatoi cum'è questu, ma stemu ancu sviluppendu altri metudi di almacenamentu di l'idrogenu.
U metudu di almacenamentu hè di utilizà leghe di almacenamentu di l'idrogenu. L'idrogenu hà a pruprietà di penetrà i metalli è di deterioralli. Questu hè un cunsigliu di sviluppu chì hè statu sviluppatu in i Stati Uniti in l'anni 1960. JJ Reilly et al. L'esperimenti anu dimustratu chì l'idrogenu pò esse almacenatu è liberatu aduprendu una lega di magnesiu è vanadiu.
Dopu à quessa, hà sviluppatu cù successu una sustanza, cum'è u palladiu, chì pò assorbe l'idrogenu 935 volte u so propiu vulume.
U vantaghju di l'usu di sta lega hè chì pò prevene l'accidenti di fuga d'idrogenu (principalmente accidenti d'esplosione). Dunque, pò esse almacenata è trasportata in modu sicuru. Tuttavia, sè ùn site micca attenti è a lasciate in u cattivu ambiente, e leghe di almacenamiento d'idrogenu ponu liberà gasu d'idrogenu cù u tempu. Ebbè, ancu una piccula scintilla pò causà un accidente d'esplosione, dunque fate attenzione.
Hà ancu u svantaghju chì l'assorbimentu è a desorbzione ripetuti di l'idrogenu portanu à a fragilizazione è riducenu u tassu di assorbimentu di l'idrogenu.
L'altru hè di utilizà tubi. Ci hè una cundizione chì devenu esse senza cumpressione è à bassa pressione per impedisce a fragilizazione di i tubi, ma u vantaghju hè chì i tubi di gas esistenti ponu esse aduprati. Tokyo Gas hà realizatu travaglii di custruzzione nantu à u Harumi FLAG, aduprendu i gasdotti di a cità per furnisce idrogenu à e pile à combustibile.
Società Futura Creata da l'Energia di l'Idrogenu
Infine, cunsideremu u rolu chì l'idrogenu pò ghjucà in a sucietà.
Più impurtante, vulemu prumove una sucietà senza carbone, usemu l'idrogenu per generà elettricità invece di cum'è energia termica.
Invece di e grande centrale termiche, alcune famiglie anu introduttu sistemi cum'è ENE-FARM, chì utilizanu l'idrogenu ottenutu riformendu u gasu naturale per generà l'elettricità necessaria. Tuttavia, a quistione di ciò chì fà cù i sottoprodotti di u prucessu di rifurmazione ferma.
In u futuru, se a circulazione di l'idrogenu stessu aumenta, cum'è l'aumentu di u numeru di stazioni di rifornimentu d'idrogenu, serà pussibule aduprà l'elettricità senza emette diossidu di carbonu. L'elettricità produce idrogenu verde, benintesa, dunque usa l'elettricità generata da a luce solare o da u ventu. L'energia aduprata per l'elettrolisi deve esse l'energia per supprime a quantità di generazione di energia o per carica a batteria ricaricabile quandu ci hè un surplus di energia da l'energia naturale. In altre parole, l'idrogenu hè in a listessa pusizione chè a batteria ricaricabile. Se questu accade, serà eventualmente pussibule riduce a generazione di energia termica. U ghjornu quandu u mutore à combustione interna sparirà da e vitture s'avvicina rapidamente.
L'idrogenu pò ancu esse ottenutu per un'altra via. In fatti, l'idrogenu hè sempre un sottoproduttu di a pruduzzione di soda caustica. Frà altre cose, hè un sottoproduttu di a pruduzzione di coke in a fabricazione di ferru. Sè mettite questu idrogenu in a distribuzione, puderete ottene parechje fonti. U gasu d'idrogenu pruduttu in questu modu hè ancu furnitu da e stazioni d'idrogenu.
Fighjemu più in là in u futuru. A quantità d'energia persa hè ancu un prublema cù u metudu di trasmissione chì usa i fili per furnisce energia. Dunque, in u futuru, useremu l'idrogenu furnitu da e pipeline, cum'è i serbatoi d'acidu carbonicu usati per fà bevande gassate, è cumpreremu un serbatoiu d'idrogenu in casa per generà elettricità per ogni famiglia. I dispositivi mobili chì funzionanu cù batterie à l'idrogenu sò diventati cumuni. Serà interessante vede un tale futuru.
Data di publicazione: 08 di ghjugnu 2023
