A cura del Dott. Pierpaolo Piras, studioso di Geopolitica e componente del Comitato per lo Sviluppo di Mondo Internazionale APS
L’attuale crisi energetica rappresenta un potente indicatore della fragilità del nostro modello di società (economico, ecologico e sociale) e ci impone di accelerare la transizione energetica. Per rispondere a questa domanda, l'attenzione si rivolge (anche) all'idrogeno come vettore energetico GREEN, poiché la sua combustione chimica non emette una sola molecola di CO2 (gas serra responsabile del riscaldamento globale), che sotto il profilo tecnico costituirebbe una valida alternativa alla decarbonizzazione oramai in onda nei nostri stili di vita.
L’idrogeno è l’elemento chimico più abbondante nell’intero universo. Sulla Terra si trova per lo più sotto forma di "idrogeno molecolare” (H2). Questa molecola suscita tanto interesse in diversi campi come la mobilità e trasporto di uomini e delle merci, raffinazione, chimica, metallurgia, lavorazione del vetro, cementifici, elettronica, ecc. e suscita domande cruciali relative al costo energetico occorrente per la sua produzione, stoccaggio, trasporto e interazione con i materiali di conservazione.
Attualmente il consumo industriale mondiale di H2 come combustibile è pari a 50 milioni di tonnellate annue.
Il settore dei trasporti (per la propulsione dei veicoli) è il campo di applicazione attualmente più importante (treni, camion, aerei, automobili, barche, autobus). Entro il 2050, la quota di H₂ nella produzione globale di energia è stimata intorno al 12%, di cui circa il 70% sarà H2 verde (cioè a basso e bassissimo dispendio di carbonio). Per più di 160 anni, gli esseri umani hanno sfruttato una prodigiosa e disponibile fonte di energia, il petrolio, per motorizzare, meccanizzare e facilitare tutti i settori dell’attività umana.
In termini più espliciti e concreti, con un litro di benzina (circa 0,75 kg), si possono produrre 10 kWh. Che corrisponde all'energia necessaria per fare 5 docce calde oppure percorrere 50 km (in media) con un'auto elettrica. Con un litro di H2 liquido (circa 0,071 kg, quindi 10 volte più leggero), si possono produrre circa 3 kWh. In altre parole, con l'H2 liquido si ottiene un'energia specifica (divisa per la massa) 3 volte maggiore della benzina.
Combustibile per accendino
Nel campo dei trasporti l’entità della massa risulta essere un fattore chiave: più un oggetto è pesante, maggiore è l’energia necessaria per movimentarlo. La leggerezza è quindi un fattore fondamentale per ridurre il consumo energetico e di conseguenza le emissioni di CO2 . Entro il 2035, il consorzio industriale produttore dell’Airbus considera di pianificare il volo inaugurale del primo aereo propulso da idrogeno liquido, chiamato “zero-e”, riferendosi alle zero emissioni di CO2 immesse nell’atmosfera durante il volo. La metà della massa di questo velivolo risulta costituita da materiali compositi leggeri, che combinano fibre di carbonio e plastica, derivati da combustibili fossili (petrolio).
Il tutto avrà emissioni di CO2 pari a zero : per cui una delle due, sarà un'illusione causata da un progetto molto avanzato ed innovativo oppure un’autentica e straordinaria rivoluzione di dimensione globale?
Preliminarmente a questa rivoluzione va sottolineato che la produzione di idrogeno (liquido o gassoso) ha un costo variabile. Infatti, l'H2 è disponibile in tutti i colori (nero, marrone, grigio, blu, giallo, verde, turchese e bianco – dal più costoso al meno costoso) a seconda del tipo di processo di fabbricazione utilizzato, emettendo più o meno quantità di CO2.
Questa differenza è dovuta principalmente al costo energetico (più o meno elevato) di queste specifiche tecniche di produzione. Ad esempio, l’idrogeno nerastro deriva dalla trasformazione del carbone in gas. È quindi costoso in termini energetici e inquinante. Al contrario, quello bianco è già presente sulla terra allo stato naturale, quindi oltre che essere innocuo è più facile da sfruttare.
Oggi il 95% dell’idrogeno prodotto proviene da fonti fossili.
Sulla base dell’utilizzo attuale, se tutti gli italiani optassero per l’idrogeno, occorrerebbero 5 milioni di tonnellate di H2 annue, ovvero 300 TWh di elettricità (che rappresenta il costo energetico per produrlo). Vale a dire la produzione di altri 46 reattori nucleari, 30.000 turbine eoliche o addirittura 6.000 km2 di pannelli fotovoltaici.
Quali sono i vincoli e limitazioni previsti per i materiali?
Consideriamo ora le barriere tecnologiche imposte dall'H2. E in particolare le sfide imposte ai materiali in un ambiente chimico costituito da un elemento molto reattivo come l’ H2 (idrogeno molecolare).
Il cambiamento del modello di produzione energetica (in particolare la sostituzione dei motori termici che utilizzano combustibili fossili) richiede un adattamento completo dei sistemi di propulsione e dei metodi di stoccaggio del carburante. Il che pone numerosi e diversi problemi scientifici e tecnici in termini di materiali da utilizzare. Innanzitutto il problema dello stoccaggio: ad un’elevata pressione atmosferica, 1 kg di H2 liquido occupa circa 800 volumi in meno di 1 kg di H2 gassoso. E’ di sicura validità pratica, ma costituisce un complesso tecnico complesso da implementare! Ad esempio, per immagazzinare l'idrogeno in forma liquida è necessario portarlo primieramente alla temperatura di -250°C (cosiddetta temperatura criogenica). Quest’ultimo valore è tecnicamente difficile da raggiungere e molto costoso per la gestione degli impianti. Per non parlare dell’indebolimento dei materiali a tali temperature.
Si può utilizzare anche H2 compressa, ma la pressione all’interno della bombola può arrivare al valore elevato di 700 bar (prossimo al limite tecnico dei materiali). Sopportare pressioni così elevate richiede l'utilizzo di materiali molto resistenti e molto leggeri (per non appesantire la struttura). In genere, i materiali compositi (simili a quelli utilizzati nell’aeronautica) che combinano fibre di carbonio e polimeri (per lo più di plastiche speciali) sono opzioni rilevanti per soddisfare i requisiti di resistenza dei serbatoi. Gli studi scientifici tendono a dimostrare che il gas idrogeno, utilizzato in determinate condizioni di temperatura, ha scarsi effetti sulla plastica o sugli elastomeri (ad esempio la gomma utilizzata nei tubi flessibili). D'altro canto, la rapida decompressione del gas può essere dannosa per questi materiali.
Sono necessari anche materiali ermetici perché le molecole di H2 sono tra le più piccole e si muovono molto facilmente attraverso la maggior parte dei materiali. È quindi necessario utilizzare un “liner” (una sorta di busta) per garantire questa tenuta. La ricerca è stata condotta per oltre 20 anni su questo argomento. Oggi è stato raggiunta una certa maturità tecnica per poter rispondere a queste problematiche. La sfida principale risiede nel controllo dei costi per poter “democratizzare” questi serbatoi e la loro applicazione in diversi ambiti della vita quotidiana.
Il campo si estende dalle automobili ai razzi, passando per l'industria e la fornitura elettrica dei rifugi d'alta quota per sostituire i generatori (attualmente alimentati da motori diesel).
Materiali che possono diventare fragili
Tornando all'indebolimento dei materiali metallici esercitato da parte dell'idrogeno liquido o gassoso, che però servano per lo stoccaggio o il trasporto dell'idrogeno, l'infragilimento delle proprietà strutturali consiste in un processo fisico durante il quale le molecole penetrano nel materiale, più in particolare nella sua microstruttura costituita da grani “incollati” (simili a cristalli) e si uniscono tra loro determinando il suo indebolimento.
In brevis, il metallo perde la capacità di deformarsi plasticamente e diventa fragile nel congelatore.
Questo cambiamento di comportamento genera ordinariamente un'alterazione delle proprietà meccaniche e un cedimento prematuro nel tempo (la cosiddetta fatica del materiale) dei materiali. Ad esempio, in campo aeronautico, i problemi materiali sono quelli riscontrati nelle turbine a gas esposte all’idrogeno e al vapore acqueo che si forma ad alte temperature.
Queste turbine, generalmente realizzate in superleghe metalliche sono soggette a fenomeni di ossidazione che provocano il deterioramento dello strato più superficiale del materiale, corrosione a caldo e diffusione di H2 all'interno della microstruttura. Si tratta di processi comunemente riscontrati nei processi petrolchimici, nei motori, nelle caldaie e nei reattori delle centrali nucleari.
Per quanto riguarda i materiali compositi che interagiscono con l'H2 gassoso , i meccanismi fisici coinvolti non sono affatto gli stessi a causa della differenza di microstruttura (nessun granulo come nei metalli) e di composizione chimica. Sono quindi meno sensibili alle basse temperature e all'infragilimento rispetto ai materiali metallici. Tra gli altri vincoli materiali riguardanti lo stoccaggio (in serbatoi) o la distribuzione dell'idrogeno (in tubi o condutture come il gas di città), la resistenza al fuoco è particolarmente importante. Essendo questo gas altamente infiammabile ed esplosivo, la sfida principale risiede nell'utilizzo di materiali in grado di mantenere la propria rigidità e resistenza in condizioni critiche di servizio (es. in caso di incendio).
I materiali compositi rinforzati con fibre di carbonio costituiscono quindi una soluzione rilevante, perché mantengono eccellenti proprietà meccaniche alla fiamma e alle alte temperature.
In conclusione, ogni questione legata ai requisiti e resistenza dei materiali come l’ossidazione, la corrosione, l’esigenza di ottenere elevate prestazioni meccaniche, la resistenza calore elevato illustrano chiaramente le potenziali sfide legate ai materiali in parti e infrastrutture che interagiscono con l’idrogeno liquido o gassoso. Pertanto, la scelta dei materiali adatti per le applicazioni di lavoro che coinvolgono l’idrogeno è una questione di compromesso tecnico e tecnologico da raggiungere tra il costo energetico, disponibilità, riciclabilità, proprietà fisiche e prestazioni in servizio (nelle condizioni d’uso).
Comprendere i meccanismi fisici coinvolti è quindi primario e fondamentale per sviluppare e rendere più affidabile l'utilizzo dell'H2 in numerosi settori industriali. Lo stato attuale delle conoscenze e delle ricerche nel campo dei materiali (metallici e compositi) interagenti con l'idrogeno è cresciuto notevolmente negli ultimi dieci anni. Oggi consentono di rispondere a numerosi ostacoli tecnologici e di prevedere una generalizzazione delle applicazioni dell’idrogeno in numerosi campi industriali. Solo in ultimo la sfida principale sarà quella di produrre l’idrogeno molecolare ad un basso costo energetico.
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