1

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI

PERUGIA

Ing. Andrea Nicolini

2

Simbolo HNumero atomico 1Peso atomico 1.00797

Raggio atomico (nm) 0.037Raggio ionico (ione H-) (nm) 0.15Energia di ionizzazione (eV) 15.6Punto di fusione (K) 13.95Punto di ebollizione (K) 20.39

GENERALITA’

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E’ L‘ELEMENTO PIU’ ABBONDANTE NELL’UNIVERSO (allo stato elementare l’idrogeno è un gas inodore e incolore)

E’ COSTITUITO DA UN SOLO PROTONE E UN SOLO ELETTRONE

E’ il più leggero

LA MOLECOLA – DUE ATOMI - E’ 14 VOLTE PIU’ LEGGERA DELL’ARIA

Tende a disperdersi negli spazi siderali. Per questa ragione l’idrogeno sul nostro pianeta è introvabile allo stato libero e si trova

solo legato ad altri elementi

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H2 CH4 BenzinaMassa molecolare 2 16 100-105

Pressione critica (bar) 13 46.4 /

Temperatura critica (°C) -240 -82. 1 /

Punto di ebollizione (°C) -252. 8 -161. 5 27-225

Temperatura di fiamma (°C) 2045 1875 2030

Potere calorifico inferiore LHV (MJ/Kg) 120.0 50.0 42.5

Potere calorifico superire HHV (MJ/Kg) 142.0 55.5 46.7

Densità del gas (Kg/m3)(a 1.01325 bar e 15° C) 0.085 0.677 /

Densità media del liquido (Kg/m3) 71 420-460 730

ρ LHV (KJ/m3)( a 1.01325 bar e 15 °C) 10234 37560 3102500

Range di infiammabilità in aria (% in volume) 4-75% 5.3-15% 1-3%

Energia di attivazione (mJ) 0.02 0.29 0.24

Coefficiente di diffusione, fugacità (cm3/ s) 0.61 0.15 0.05

PROPRIETA’ FISICHE

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Elevato contenuto energetico per unità di massa ( massimo rispetto ai vari idrocarburi):

bruciando 1 kg di idrogeno si producono 125.000 kJ di energia termica contro i 44.000 di 1 kg di benzina.

• 1 litro di idrogeno gassoso nelle condizioni normali standard contiene soltanto 2,48 kcal contro le quasi 8.000 di 1 litro di benzina.

• 1 litro di idrogeno liquido contiene circa 2000 kcal contro le quasi 8.000 di 1 litro di benzina.

Considerando l’energia specifica per unità di volume:

A parità di tutte le altre condizioni, per avere la resa energetica di 1 litro di benzina occorrono 4 litri di idrogeno liquido.

Purtroppo però la temperatura dell’idrogeno liquido è molto bassa (-253 °C).

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PETROLIO CH3 OH C2 H5 OH CH4 C3H8 NH3 H2

TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE (K)

(°C)

350-40077-127

33774

35279

111.7-161. 3

230.842.2

240-33

20.3-253

DENSITA’ ALLO STATO LIQUIDO (Kg/m3) 702 797 790 425 507 771 71

POTERE CALORIFICO INFERIORE RIFERITO ALLA MASSA (kJ/Kg)

(MJ/Nm3)

44380 20100 27700 5000035.882

4640093.215

18600 12000010.783

POTERE CALORIFICO RIFERITO AL VOLUME DI

LIQUIDO (MJ/m3)31170 16020 22000 21250 23520 14350 8960

DIFFUSIVITA’ IN ARIA (cm2/s) 0.08 0.16 / 0.20 0.10 0.20 0.63

CONFRONTO TRA I DIVERSI TIPI DI COMBUSTIBILE

METANOLO ETANOLO PROPANO

IMPIEGHI ATTUALI

• 50% nella produzione di ammoniaca;

• 37% nell'industria della raffinazione (hydrocracking);

• 8% nella produzione industriale di metanolo;

• 4% in metallurgia (ritemprare e purificare metalli);

• 1% in campo spaziale (combustibile razzi).

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a T ambienteElettrolisi dell’acqua

ad alta Temperatura

Steam Reforming degli idrocarburi (CH4)

di biomasseGassificazione di rifiuti

di carbone

Processi Fotobiologici

Processi Fotochimici

METODI DI PRODUZIONE

Processi alternativi (fotosonolisi)

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La produzione di H2 determina necessariamente l’immissione in ambiente di inquinanti, indipendentemente dal processo utilizzato

Il sistema idrogeno ha grandi potenzialità per lo sviluppo dei paesi tecnologicamente avanzati.

Accanto, però, agli indubbi vantaggi, l’introduzione dell’idrogeno come vettore energetico per il lungo termine presenta numerosi problemi connessi allo sviluppo delle tecnologie necessarie per

rendere il suo impiego economico ed affidabile, nelle diverse fasi di: produzione, trasporto, accumulo, utilizzo.

L’H2 va inteso come vettore energetico e non come fonte di energia dato che la sua produzione è frutto dell’impiego di

altre sorgenti energetiche.

10

+

OH

H+

_

IdrogenoOssigeno

Acqua

ee

Elettrolita

catodoanodo

separatore

Generatore elettrico

Consente di produrre idrogeno dall’acqua utilizzando energia elettrica. Dal processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno (utilizzabile).

SCISSIONE ELETTROLITICA DELL’ACQUA:

2H2O + Energia elettrica = 2H2 + O2

Si utilizza energia elettrica per alimentare le celle elettrolitiche e, se tale elettricità

provenisse da fonti rinnovabili, l’idrogeno prodotto sarebbe

completamente pulito.

ELETTROLISI

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Quantità limitata di idrogeno prodotta;

Costi elevati dovuti all’impiego di energia elettrica;

Efficacia energetica ridotta.

L’elettrolisi ad alta temperatura (900-1000°C) riduce il consumo di elettricità del 35% circa accelerando

le reazioni e riducendo le perdite d’energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi.

SVANTAGGI:

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Produzione dell’idrogeno tramite reazione catalitica di reformingtra metano e vapore d’acqua.

E’ il metodo di produzione più economico e diffuso.

Tradizionalmente è utilizzato in impianti di produttività superiore a 1000 Nm3/h, ma si stanno sviluppando soluzioni impiantistiche con capacità fino a 100 Nm3/h.

Può essere applicato oltre che al metano anche ad altri idrocarburi come l’etano e la nafta. Tutti devono essere depurati dai composti solforati prima di essere avviati al processo.

STEAM REFORMING

2CxHy + 2xH2O + xO2 + Energia termica = (2x)CO2 + (2x+y)H2

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La rimozione dello zolfo è essenziale per il buon esito del processo di steam reforming. Tipicamente i livelli di concentrazione devono essere ridotti fino a 0.2 ppm.

• Il CH4 viene miscelato ad una piccola quantità di H2;

• La miscela viene fatta passare sopra un letto che funziona da catalizzatore (tipicamente ossidi di cobalto o di molibdeno su

supporto di allumina);

• Lo zolfo organico viene ridotto a H2S e idrocarburi:

(C2H5)2S + 2H2 2C2H6 + H2S

• L’H2S prodotto può essere rimosso per assorbimento utilizzando come catalizzatore ZnO:

H2S + ZnO ZnS + H2O

Temperatura ottimale tra 350 e 400 °C

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Il metano, in presenza di un catalizzatore, reagisce con vapore a 800° C e produce: idrogeno, ossido di carbonio ed anidride carbonica

CH4 + H2O CO + 3 H2CO + 2H2O CO2 + H2

idrogeno : 85%pressione: circa 16 barPunto di rugiada: circa - 30° C

Consumo specifico medio:

2 kg di gas naturale per kg di idrogeno

PUREZZA

CHIMICA DEL PROCESSO

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Processo di parziale ossidazione di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha l’obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso formato principalmente da

idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.

La produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone (900° C) è competitiva con lo steam reforming solo dove il costo del gas naturale è molto

elevato.

La gassificazione di biomasse (legno) e rifiuti produce un basso quantitativo di idrogeno (6-6,5%) minore allo steam reforming, comporta costi di produzione più

elevati ma realizza idrogeno in modo rinnovabile

non contribuisce ad aumentare la quantità totale di CO2 presente nell’atmosfera, mentre la gassificazione dei rifiuti produce il vantaggio ambientale di utilizzare

l’energia in essi contenuta e ridurne il volume.

Vantaggio ambientale

GASSIFICAZIONE

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La trasformazione del legno con l'apporto di vapore genera non solo idrogeno e CO2, ma una gamma di gas e composti organici

condensabili (catrami).

L'utile in termini di idrogeno è modesto:solo il 22% circa del potere calorifico del gas prodotto è sotto forma di idrogeno, mentre il 33% è rappresentato da

CO e il 45% da metano.

48% Azoto (dell’aria)

23% CO

12% H2

12% CO2

5% CH4

Un gas tipico è così composto:

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La quantità d'idrogeno risultante può essere aumentata, a scapito della quantità di CO, modificando gli equilibri

tramite un letto catalitico.

I grandi carburatori ottimizzati permettono di raggiungere

Rendimento di trasformazione di quasi il 50% (potere calorifico dell'idrogeno riferito al potere calorifico del

legno secco impiegato).

In seguito alla conversione del CO

0.7 - 0.8 Nm3 di H2per kg di legno (massa secca)

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Nascono con l’obiettivo di risolvere le problematiche ambientali legate all’utilizzo di tecnologie basate sugli idrocarburi.

Alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno assorbendo l’energia solare.

Esistono altri batteri che sono in grado di sviluppare idrogeno a temperatura e pressione ambiente in assenza di luce combinando

monossido di carbonio e acqua.

PROCESSI BIOLOGICI

I pigmenti delle alghe assorbono l’energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere l’acqua nei suoi

componenti: idrogeno e ossigeno.

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In ogni caso si è ai primi stadi e il livello di efficienza diconversione energetica (rapporto tra energia prodotta dall’idrogeno e contenuto energetico della luce solare

impiegata) è basso, circa il 5%.

PROBLEMATICHE

Per la produzione di idrogeno su larga scala, questi processi richiedono efficienza più elevata e riduzione dei costi

L’azione di quasi tutti gli enzimi che elaborano l’idrogeno è notevolmente rallentata dalla presenza di ossigeno prodotto dalla

scissione dell’acqua

Mantenere in vita i sistemi produttivi per periodi prolungati che consentano di ottenere maggiore stabilità di produzione

PRODUZIONE ANNUA 5 ·1011 Nm3

2% DOMANDA MONDIALE DI ENERGIA PRIMARIA

96% prodotto da combustibili fossili

Il resto principalmente via elettrolisi e in piccola parte tramite altri processi

il consumo di idrogeno è pari al

5% del consumo di petrolio nel

mondo.

PRODUZIONE DELL’IDROGENO

21

COSTI DI PRODUZIONE

6 8 1015

4050

0102030405060

Stea

mre

form

ing

dam

etan

o

Gas

sific

azio

neda

car

bone

Gas

sific

azio

neda

idro

carb

uri

liqui

di

Gas

sific

azio

neo

piro

lisi d

ibi

omas

se

Elet

trolis

i

Con

cent

rato

riso

lari

Prezzo dell' H2 ($/GJ)

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METODI ALTERNATIVI: FOTOELETTROLISI

• Viene impiegato TiO2 (biossido di titanio) come fotoelettrodo.

• Consente di decomporre l’acqua mediante sistemi catalitici non elettrochimici, in particolare utilizzando polveri degli stessi semiconduttori

utilizzati nella fotoelettrochimica.Nel campo della fotocatalisi vengono individuati 2 tipi di reazione:

Nella prima la luce ha una funzione essenzialmente cinetica, con lo scopo di accelerare una reazione

termodinamicamente favorita ma cinematicamente sfavorita

Nella seconda la luce svolge una funzione energetica oltre che cinetica, in modo che la reazione avvenga in

misura maggiore di quanto prevedibile senza tener conto dell’apporto energetico

dovuto all’assorbimento del fotone.

Fotodecomposizione dell’acqua:

H2O H2 + ½ O2

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PROBLEMA:NON SI OTTIENE DECOMPOSIZIONE DELL’ACQUA CON FOTONI LA

CUI ENERGIA E’ INFERIORE A 6.6 eV (186 nm ultravioletto).

CAUSA:Elevata barriera di potenziale che il sistema deve attraversare prima

di poter evolvere verso i prodotti.

SOLUZIONE:Catalisi, per mezzo della quale è possibile ottenere un cammino di

reazione a più bassa energia di attivazione (Fujishima e Honda, 1972).

In questo caso è possibile utilizzare fotoni di energia minore di 6.6 eV in particolare dell’ordine di 3 eV (415 nm) per la produzione di H2 in celle fotoelettrochimiche.

Il sistema può utilizzare ad esempioun fotoanodo costituito da biossido di titanio: TiO2

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Reazioni fotocatalitiche = reazioni affidate ad opportuni catalizzatori (ad esempio TiO2) in grado di controllare la velocità di reazione restando chimicamente inalterati e

non comparendo in nessuna reazione di ossido-riduzione.

Viene utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia per agire da

elettrodo per la scissione dell'acqua.

Questa tecnologia è ancora ai primi stadi del suo sviluppo sebbene

l'efficienza di conversione dell'energia sia cresciuta da meno dell'1%,

nell’anno 1974, all'attuale 11%.

Efficienze ancora più elevate sono state ottenute con l'aggiunta di una

carica elettrica esterna per facilitare la reazione chimica.

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METODI ALTERNATIVI: Cicli termochimici

1) nella prima fase (ad alta temperatura) l’ossido di un metallo è decomposto termicamente nel metallo e in ossigeno:

2O2yMxyOxM

I cicli termochimici basati sulla riduzione degli ossidi metallici si svolgono in due fasi:

2) nella seconda fase (a bassa temperatura) il metallo M reagisce con acqua per produrre idrogeno:

22HyOMOHyMx

yx

L’ossido metallico ottenuto viene riutilizzato di nuovo nella prima reazione

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Confronto tra cicli termochimici

Numero di reazioni

T massima del processo

(°C)

Rendimento termochimico

(%)Ciclo Zolfo – Iodio 3 900 38Ciclo Calcio – Bromo 4 780 36 – 40Ciclo Rame – Cloro 3 550 41Ciclo Ferro 2 2300 40-45Ciclo Zinco 2 2000 44

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Ciclo ZnO-Zn

221 OZnZnO

22 HZnOOHZn

1) T ≈ 2000 °C

2) T < 600 °C

Il ciclo dello zinco è concettualmente molto semplice, poichéprevede esclusivamente l’impiego di zinco ed ossido di zinco.

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Tecnica Innovativa in sperimentazione: Sonofotolisi

H2O

A r

trasdutto re p iezoele ttrico

reatto re

condotti

quarzo

onda e le ttrom agnetica

FOTOLISI

SONOLISI

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Impianto di produzione H2

Combustibili fossili

Biomasse FotovoltaicoIdroelettrico

EolicoSolare termico

Trasporto

Fonti rinnovabili

CO2

UTILIZZO H2

PRODUZIONE H2

SEQUESTRO CO2

Celle a combustibile

Cicli termici Residenziale

Generazione di potenza elettrica

Idrogeno

STOCCAGGIOH2

LA CATENA DELL’IDROGENO

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IMMAGAZZINAMENTO DELL’IDROGENO

La maggior parte dell’idrogeno prodotto viene consumata dagli stessi produttori

La quantità immagazzinata per tempi lunghi è molto

piccola

L’eccedenza viene venduta o bruciata perché più

economico

E’ possibile immagazzinare

idrogeno

Stato gassoso

Stato liquido

Sotto forma di idruri metallici, idrati, nanotubi, ….

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO GASSOSO

L’idrogeno gassoso viene immagazzinato utilizzando bombole portatili ad alta pressione: K bottles

Temperatura

[°C]

Pressione

[atm]

Massa / Volume

[g/litro]

15

15

15

1

1

1

0.081

0.64

1.22

Idrogeno

Metano

Aria

L’immagazzinamento di 1 Kg di idrogeno (146 MJ) alla pressione di 1 bar richiede un volume di 12350 litri, energia contenuta in 2.88 Kg di benzina

corrispondente ad un volume di 4.1 litri

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STOCCAGGIO DI IDROGENO GASSOSO

Si utilizzano serbatoi metallici a pressione in grado di sopportare masse notevoli per unità di energia immagazzinata

K - bottles

Serbatoi alla pressione di 400 atm utilizzati per il trasporto di gas in bombole:

1Kg Idrogeno 30 litri

Serbatoi alla pressione di 700 atm in acciaio a basso tenore di carbonio

Serbatoi alla pressione di 1000 atm in acciaio austenitico per impieghi speciali

In fase di sviluppo serbatoi molto leggeri realizzati con fibre ad altissima resistenza

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO GASSOSO

In passato si utilizzavano grandi contenitori di gas a bassa pressione, gasometri molto voluminosi.

Per immagazzinamento di grandi quantitativi di

idrogeno:

Caverne scavate nei giacimenti di sale

Espellere mediante un gas la salamoia e introdurre idrogeno

Variare il volume disponibile per

l’immagazzinamento del gas a pressione costante

Utilizzo di falde acquifere e di giacimenti esauriti di idrocarburi

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO LIQUIDO

Idrogeno liquido

Fluido incolore

Simile all’acqua

Bassissima temperatura

Produzione di idrogeno liquido mediante liquefazione:

Molto costosa Necessita di molto energia

Si utilizzano piccoli vasi portatili, Dewar

Allo stato liquido 1Kg di idrogeno occupa 14.3 litri

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO LIQUIDO

L’immagazzinamento dell’idrogeno sotto forma di liquido richiede compressione e forte raffreddamento del gas, fino alla temperatura di -253°C.

L’energia che si spende nel processo di compressione e liquefazione del gas è circa pari al 30% dell’energia che si può ricavare dalla combustione della

stessa quantità d’idrogeno contro un valore compreso tra il 4 e il 7% per l’H2 compresso.

Un grosso problema è legato, inoltre, alla necessità di mantenere il liquido costantemente alla temperatura di -253°C e questo comporta, nonostante i

sistemi di isolamento termico disponibili, una continua domanda di energia da parte del sistema di refrigerazione

Se 1 litro di H2 liquido contiene circa 2000 Kcal (8372 KJ), questo significa che 600 Kcal (2511 KJ) vengono spese per la liquefazione del gas.

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO LIQUIDO

Temperatura di ebollizione idrogeno

liquido: -253°CCalore di evaporazione

446 J/g

Caratteristiche che contribuiscono ad una intensa evaporazione in caso di insufficiente

coibentazione del serbatoio

Nell’immagazzinamento allo stato liquido l’isolamento termico è necessario perché l’idrogeno liquido immesso in un semplice serbatoio di metallo condensa

l’aria circostante e produce sul serbatoio una incrostazione di ghiaccio il cui spessore aumenta con grande rapidità appesantendo il veicolo in misura da

compromettere le prestazioni di progetto.

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO SOTTO FORMA DI IDRURI METALLICI

Gli idruri metallici agiscono come spugne per immagazzinare idrogeno a temperatura ambiente: lo assorbono e successivamente lo rilasciano in modo controllabile

2 2scaricacaricaH M MH calore

svolto

assorbito

Idrogeno gassoso

Metallo

La direzione in cui procede la reazione è determinata dalla pressione dell’idrogeno gassoso

REAZIONE REVERSIBILE

Gli idruri riescono ad incorporare quantità notevoli di idrogeno

Le prestazioni ottenibili dai diversi idruri in termini di densità di energia sono:

600-2500Wh/Kg

La reazione dell’idrogeno col

metallo per produrre energia è esotermica

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IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO SOTTO FORMA DI IDRURI METALLICI

39

I nanotubi e le nanofibre di carbonio, scoperte all’inizio degli anni 90, stanno

dimostrando buone capacità di assorbimento dell’idrogeno,

con risultati ancora non ben consolidati.

Ricerche su questa nuova tecnologia sono in corso.

NANOSTRUTTURE DI CARBONIO

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L'idrogenazione è una reazione chimica attraverso la quale i legami multiplicarbonio-carbonio di alcheni, alchini e composti aromatici vengono ridotti a legamisemplici per addizione di atomi di idrogeno alla molecola. La reazione inversa èdetta deidrogenazione.

Idrogenazione reversibile di idrocarburi

ESEMPIO: idrogenazione reversibile del benzene a cicloesano (stoccaggio di idrogenostechiometrico del 7.2% in peso).Problematiche riscontrate: in fase di idrogenazione necessitano pressioni fino a 20 Bar etemperature dell’ordine dei 200-300°C .Lo stesso vale per la deidrogenazione dove sono necessarie temperature di 200°C o maggiori al fine di convertire per via catalitica in maniera selettiva il cicloesano per ottenere un idrogeno privo di prodotti di conversioni secondarie. Ovviamente, anche questi sistemi soffrono di una non completa conversione che nei casi migliori permette di recuperare solo 80% del contenuto di idrogeno.

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L’ammoniaca mostra un contenuto stechiometrico di idrogeno molto elevato,17%, ed inoltre il recupero dell’idrogeno per via elettrolitica è favorito dal bassopotenziale di dissociazione, circa 0.5 V, anche se le cinetiche di dissociazionesono assai lente essa mostra il valore aggiunto di emettere solo N2 comeprodotto di scarto, gas non inquinante che può essere reperito ovunque.

Attualmente i migliori impianti di produzione consumano energia elettrica inquantità superiore al suo contenuto energetico in idrogeno. Considerato chel’energia elettrica è solamente un vettore energetico prodotto da altre fonti conuna resa di conversione che può arrivare al 60% nei casi migliori, il costoenergetico di produzione dell’ammoniaca supera di gran lunga la sua capacità ditrasportare energia come idrogeno.

Ammoniaca

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Una miscela di acqua ed etanolo al 46% in peso di etanolo può essereconvertita cataliticamente e stechiometricamente in anidride carbonica eidrogeno.

La capacità di stoccaggio di idrogeno che ne deriva è del 12% in peso,quantità molto interessante se si considera che si trasporta un liquido moltostabile in condizioni ambiente.

Problematiche: processo di conversione che necessita di elevate temperaturee che deve limitare la concentrazione di etanolo al solo 12% in peso peravere un idrogeno libero da CO.

Etanolo

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I gas idrati sono composti solidi a base di molecole di acqua che intrappolanoingenti quantità di gas. Formano gas idrati il metano, l'anidride carbonica, l'acidosolfidrico, l’idrogeno, etc. L’acqua, in particolari condizioni, generaspontaneamente gabbie di poliedri nanostrutturati che intrappolano i gas.

Per quanto riguarda l'idrogeno, è teoricamente possibile immagazzinare in formadi idrato fino al 5% in peso ed è stato possibile realizzare in laboratorio uncontenuto di H2 in idrato di circa 4% in peso, con l'ausilio di piccole quantità diparticolari stabilizzanti organici (0,1% co-former).

I gas idrati si distinguono dagli altri materiali di stoccaggio dell'idrogeno per leloro caratteristiche di:1) sicurezza: non esplodono e possono esser resi auto-estinguenti;2) economicità: la componente principale è l'acqua, quindi non si prospettano

problemi né di costo né di reperibilità del supporto;3) efficienza: perde significato il concetto di numero di "refueling cycles";4) ecocompatibilità: notevole abbattimento dei problemi di smaltimento.

In definitiva gli idrati di idrogeno si presentano come una tecnologiaestremamente competitiva nel campo dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno.

Gas idrati

44

Storage costs

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TECNICHE PER IL TRASPORTO DELL’IDROGENO

IDROGENO GASSOSO:

• Trasportato e distribuito mediante gasdotti (come il metano);

• Per mezzo di autocarri (normativa: P < 160 atm).

IDROGENO LIQUIDO:

• Trasportato e distribuito per mezzo di oleodotti

(pipeline);

• Per mezzo di contenitoria doppia parete e vuoto

d’aria tra le pareti stesse.

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TRASPORTO DI IDROGENO GASSOSO: “GASDOTTI”

Energia producibile bruciando H2:

• In riferimento all’unità di peso è circa 2.5 volte maggiore rispetto a quella prodotta con il gas naturale.

• Su base volume è 1/3 di quella prodotta dal metano.

Un gasdotto deve trasportare un volume triplo di H2 per avere la stessa quantità di energia trasportabile con il metano.

L’idrogeno è assorbito da alcuni metalli con i quali forma idruri metallici. Se questi idruri si formano nei materiali utilizzati per il trasporto o

l’immagazzinamento possono indebolire la struttura e provocare avarie.

Soluzione

Inibire la formazione di idruri attraverso la presenza di impurità nell’ H2 (vapore acqueo, idrogeno solforato, CO2 e altri).

PROBLEMATICHE:

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VANTAGGI:

L’idrogeno ha viscosità e peso molecolare molto bassi

A parità di salto di pressione, l’H2 fluisce con velocità circa tripla rispetto a quella del gas naturale, questo significa che un gasdotto può trasportare circa

la stessa quantità di energia sotto forma di idrogeno o gas naturale.

Sono tubazioni interrate e quindi non in vista e hanno meno ingombro rispetto agli elettrodotti;

Economici;

Fattibilità assodata (Germania, USA, Inghilterra).

48

La velocità con cui un gas sfugge attraverso a un piccolo foro è simile a quella con cui esso fluisce

nella tubazione e dipende dalla radice quadrata del peso molecolare:

√16/ √2 = 2.8284

L’H2 sfugge attraverso fori o imperfette tenute della tubazione con velocità 2.8 volte superiore

quella del CH4.

Le perdite sono quindi 2.8 volte maggiori su base volume, sostanzialmente le stesse su base energia.

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POMPAGGIO

L’energia necessaria per far fluire un gas lungo una tubazione dipende principalmente dal volume di gas che deve essere trattato.

Wp=vP (dm/dt)/p

Essendo PCI(H2) = 2600Kcal/Nm3 (riferito al volume)

cioè meno di 1/3 di quello del metano (8600 Kcal/Nm3)

Perciò, a parità di energia trasportata dalla tubazione, il volume di H2 deve essere 3 volte maggiore di quello del CH4.

Con l’H2 l’energia necessaria per il pompaggio è circa 3 volte maggiore.

Se in futuro l’H2 sostituirà il metano, i metanodotti potranno essere facilmente convertiti in idrogenodotti, ma le stazioni di

pompaggio dovranno essere di potenzialità maggiore.

50

COSTI:

Principalmente legati al pompaggio sia per la necessità di incrementare la potenza del compressore sia per la manutenzione legata all’infragilimento da idrogeno di

alcuni acciai che creano alcuni problemi negli organi meccanici del sistema.

Calcoli effettuati in diversi centri di ricerca indicano un aumento del costo di trasporto della caloria dell’ordine del 20-30% nel

passaggio metano-idrogeno.

Per una distanza di 1000 Km, il costo del trasporto incide in misura del 10-15% del valore dell’idrogeno trasportato ed il costo

per il lavoro di pompaggio equivale all’1% dell’energia trasportata.

51

TRASPORTO DI IDROGENO LIQUIDO: “PIPELINE”

La pratica comune per ottenere H2 gassoso puro e a elevata pressione è quella di pressurizzare H2 liquido e poi gassificarlo.

Il trasporto avviene mediante tubazioni termicamente isolate.

Sono costituite da un tubo centrale, percorso dall’idrogeno, avvolto in uno strato di 2-5 cm formato da numerosi e sottilissimi fogli di materiale plastico (Mylar)

alluminizzato, separati tra loro da una sottile rete di nylon. Un tubo coassiale esterno racchiude il tutto e costituisce un contenitore a tenuta di vuoto.

52

VANTAGGI:

Questo tipo di tubazione rigida può trasportare idrogeno anche su lunghe distanze, senza perdite dovute all’ebollizione

dell’idrogeno liquido.

SVANTAGGI:

E’ molto costoso e il suo uso per trasportare idrogeno liquido su distanze superiori a poche centinaia di metri si è dimostrato

antieconomico.

Principalmente utilizzate all’interno di impianti che producono idrogeno liquido.

53

TRANSPORTATION COSTS

27

4,7

79

20

215

0102030405060708090

Pipeline Compressovia camion

Liquido viacamion

Gassosotramiteferrovia

Liquidotramiteferrovia

Nave

Costo di trasporto ($/GJ)