Sistemi per l'accumulo di idrogeno
Le difficoltà di accumulo sono tra i principali ostacoli alla diffusione di sistemi basati sulle tecnologie ad idrogeno, per contro esistono molte possibili tecniche o anche strategie adottabili, purtroppo non è incentivata la ricerca e lo sviluppo di questi sistemi (al pari delle tecniche per la produzione), sopratutto la mancanza di ricerca sta rallentando lo sviluppo delle filiere utili al concreto sviluppo di tale vettore energetico, nonostante le buone intenzioni che a parole si dichiarano frequentemente negli ambienti politici, di fatto i fondi rimangono marginali e comunque insufficienti al conseguimento di uno standard applicativo utile ad iniziare la diffusione commerciale di veicoli ad idrogeno o comunque a celle a combustibile.

A livello teorico esistono una decina di sistemi di accumulo, alcuni prevedono lo stoccaggio di idrogeno puro, altri prevedono di abbinare le molecole H2 con altri elementi chimici dai quali essere ricavato all'occorrenza, altri sistemi ancora prevedono di abbinare H2 con carbonio o con biossido di carbonio e di utilizzare tali miscele come carburante.

Non necessariamente si dovrà adottare uno solo tra questi sistemi, più verosimilmente alcuni tra i vari sistemi potrebbero essere adatti ad uno o a più particolari utilizzi.




Gas compresso
E' il sistema più semplice e più utilizzato, problema principale è il grande volume che richiede questo metodo di accumulo, circa tre volte quello del metano che è già di per se molto voluminoso, a confronto della benzina l'idrogeno compresso occupa 10 volte più spazio.

L’idrogeno può essere compresso tramite compressori a pistoni assiali, radiali o alternati. Questi ultimi possono avere potenza fino a 11.200 kW e trattare flussi di idrogeno di 890 kg/h a più di 25 MPa di pressione. I compressori assiali e radiali invece sono usati per flussi anche dieci volte maggiori. Uno dei vantaggi dei compressori assiali è che ne possono essere montati diversi su uno stesso albero ma il fatto che debbano essere installati meccanismi per la protezione dalle oscillazioni ne riduce l’efficienza al 50%. La compressione avviene in più fasi, a diverse pressioni, e può essere effettuata anche tramite l’impiego di idruri di metallo sfruttando la diversa pressione operativa delle fasi di idrogenazione e deidrogenazione. In genere essi vengono fatti agire in serie in modo che il calore rilasciato dall’uno venga utilizzato dal successivo, con un’azione a catena.

Molti sistemi di compressione utilizzano meccanismi di espansione per recuperare parte dell’energia della fase di compressione mentre negli attuali processi di liquefazione essi hanno lo scopo di aumentare l’efficienza di raffreddamento dell’idrogeno. Per grossi flussi d’idrogeno vengono impiegati i cosiddetti "turboespansori" che se completamente operativi hanno efficienza dell’85% ma risultano molto meno efficienti con carichi inferiori. I meccanismi di espansione sono anche utilizzati per modificare la pressione dell’idrogeno in base alla tecnologia di accumulo e all’applicazione finale (www.eren.doe.gov).

L'idrogeno può essere immagazzinato, come gas compresso, all'aperto, sotto terra e a bordo di veicoli. Questa tecnologia di accumulo è la più semplice in quanto le uniche attrezzature necessarie sono un compressore ed un contenitore pressurizzato.

L'idrogeno viene compresso a circa 20,7 MPa ed immagazzinato in cilindri per il gas, a pressione standard, o in contenitori sferici per quantità superiori a 15.000 Nm3. In generale l'accumulo sotto forma di gas compresso, in tubi ad alta pressione, è generalmente limitato a sistemi inferiori ai 14.000 Nm3 o ancora minori, a causa del loro costo elevato.

I costi stimati di questa tecnologia, nel caso di accumulo all'aperto, sono molto elevati per l' accumulo giornaliero con l'utilizzo di tubi pressurizzati rispetto al caso dell'utilizzo di contenitori; essi inoltre dipendono fortemente dal tasso di rotazione delle scorte (Padrò e Putsche, 1999).

L' accumulo dell'idrogeno in impianti sotterranei, invece, è conveniente per il trattamento di grossi quantitativi o per lunghi periodi. Attualmente esistono numerosi impianti d' accumulo sotterraneo. La città di Kiel, in Germania, utilizza questo tipo di strutture sin dall’anno 1971, per l' accumulo del gas di città, costituito per il 60%-65% da idrogeno. La società nazionale per il gas, francese, Gaz de France, ha immagazzinato prodotti gassosi di raffineria, ricchi di idrogeno, in strutture acquifere vicino Baynes, in Francia. La Imperial Chemical Industries immagazzina l'idrogeno in miniere saline vicino Teeside, Regno Unito.

Questa metodologia è più o meno conveniente, in termini di costi, secondo che si sfruttino strutture preesistenti (miniere saline, pozzi di gas svuotati ecc.) o ne sia necessaria la loro creazione (pozzi artificiali ecc.).

La maggior parte dei costi è rappresentata dal costo dell'energia impiegata per la compressione e dipendono, quindi, dalle quantità trattate e dal periodo di accumulo. Questa tecnologia di accumulo, ad una pressione di 20,7-55,2 MPa, è la meno costosa per il rifornimento di autoveicoli ma, purtroppo, ha una densità d'energia in rapporto al volume, molto bassa (13-3,4 MJ/l) se comparata a quella della benzina (32,4 MJ/l). Anche se quest'ultimo svantaggio può essere eliminato con l'aumento della pressione, non bisogna trascurare la questione della sicurezza. Sono stati sviluppati serbatoi con fibra rinforzata, composta (per esempio alluminio-carbone) ma il loro costo, attualmente ancora elevato, andrebbe a gravare ulteriormente sul costo complessivo di accumulo, rendendolo ancor meno conveniente se rapportato alla densità d'energia che comunque resta esigua.

Attualmente gli sviluppi sui sistemi ad idrogeno compresso hanno portato ad ottenere serbatoi in fibra di carbonio che possono essere eserciti fino a pressioni di 700 bar, ciò permette di avere auto di media potenza con autonomie di 400-500 km, negli ultimi prototipi General Motors, Honda, Toyota, DaimlerChrysler, sono installati serbatoi simili, i test hanno dimostrato affidabilità e alcuni modelli hanno potuto essere omologati anche in Germania dove lo standard di sicurezza è tra i più elevati in assoluto.
www.qtww.com

Anche quando tali serbatoi dovessero essere forati e quindi alimentare un incendio sono potenzialmente meno pericolosi dei serbatoi di benzina nelle stessa situazione, come illustrato nella pagina al link seguente.
evworld.com

Idrogeno liquefatto
Anche questa tecnologia è ben nota e applicata, in questo caso il volume è minore rispetto al metano, solo che l' H2 diventa liquido a -253°C, è intuibile l'energia persa per portarlo e mantenerlo a tali temperature, nonché varie difficoltà tecniche e conseguenti alti costi.
I processi di liquefazione usano una combinazione di compressori, scambiatori di calore, motori di espansione e valvole a farfalla per ottenere il raffreddamento desiderato. Il processo di liquefazione più semplice è il ciclo Linde o ciclo di espansione Joule–Thompson. Tramite questo processo, il gas è compresso a pressione ambiente e quindi raffreddato in uno scambiatore di calore prima di passare attraverso una valvola in cui è sottoposto al processo di espansione Joule–Thompson producendo del liquido. Una volta rimosso il liquido il gas ritorna al compressore tramite lo scambiatore di calore.

Il processo Linde opera con gas, come l’azoto, che si raffreddano per espansione a temperatura ambiente. L’idrogeno al contrario, in questa fase si riscalda e per evitare ciò la sua temperatura deve essere inferiore alla sua temperatura d’inversione di 202 K. Per raggiungere tale temperatura alcuni processi raffreddano l’idrogeno con dell’azoto liquido pre-raffreddato che prima del passaggio nella valvola d’espansione, consente la riduzione della temperatura dell’idrogeno a 78 K. L’azoto viene quindi recuperato e riciclato nel ciclo continuo di refrigerazione.

Altri sistemi, che superino gli inconvenienti legati alle basse temperature operative, sono in corso di perfezionamento (Amos, 1998).

L'idrogeno può essere liquefatto per la produzione stazionaria di energia sia per il rifornimento di veicoli. Successivamente, nella maggior parte dei casi, viene immagazzinato ad una temperatura di -253 °C. L'unico inconveniente di questo sistema è l'eventuale fuoriuscita di parte dell'idrogeno liquido ed il notevole dispendio energetico dell’intero processo. Infatti circa il 30% dell’energia dell’idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento Inoltre sono necessarie particolari attrezzature per il mantenimento dello stato liquido (Padrò e Putsche, 1999).

Una delle preoccupazioni maggiori legate a questo processo quindi, è quella della riduzione delle fuoriuscite di liquido. Dato che l’idrogeno è immagazzinato ad una temperatura che corrisponde al suo punto di ebollizione, qualsiasi passaggio di calore attraverso il liquido causa l’evaporazione di una parte dell’idrogeno e qualsiasi evaporazione si riflette in una perdita dell’efficienza del sistema. La fonte di tale calore potrebbe essere la conversione della configurazione elettronica delle molecole d’idrogeno da orto a para (vedi cap. 2), l’energia del pompaggio, oppure la conduzione, convezione o irraggiamento diretto del calore.

Per quanto riguarda il primo caso, la conversione delle molecole da orto a para, alla temperatura di ebollizione dell’idrogeno (20,3 K) la concentrazione di equilibrio è quasi tutta para-idrogeno, ma a temperatura ambiente o superiore, la concentrazione è del 25% para-idrogeno e 75% orto-idrogeno. La conversione non catalizzata della molecole da orto a para procede molto lentamente così, senza una fase di conversione catalitica, l’idrogeno liquefatto contiene significative quantità di orto-idrogeno. La loro conversione richiederebbe quindi una reazione esotermica il cui rilascio di enormi quantità di calore causerebbe l’evaporazione del 50% dell’idrogeno liquido nel giro di pochi giorni. Alcune delle soluzioni, prevedono la conversione da orto a para durante la liquefazione, per evitare che ciò accada durante l’immagazzinaggio, tramite l’impiego di particolari catalizzatori.

L’impiego di contenitori criogenici isolati invece, può far fronte al problema del calore generato per conduzione, convezione ed irraggiamento. Tali contenitori sono progettati in modo da evitare qualsiasi trasmissione di calore dalla parete esterna al liquido, per cui sono tutti costituiti da un doppio rivestimento il cui interno è vuoto per impedire il passaggio di calore per conduzione o convezione. Per prevenire l’irraggiamento diretto di calore invece, tra la parete interna ed esterna del contenitore sono installati dei pannelli protettivi a bassa emissione di calore a base di plastica ed alluminio.

La maggior parte dei contenitori di idrogeno liquido hanno forma sferica perché quest’ultima ha la più bassa superficie per il trasferimento di calore per unità di volume. Inoltre, al crescere del diametro dei contenitori il volume aumenta più velocemente della superficie esterna per cui contenitori più grandi, in proporzione, provocano minori perdite per trasferimento di calore. I contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la loro facilità ed economicità di costruzione.

Anche se sottoposto con cautela all’irraggiamento solare, una parte dell’idrogeno può evaporare ed essere destinata ad aumentare la pressione nel contenitore o riciclata nel processo di liquefazione oppure, in alcuni casi, semplicemente liberata.

Il più grande sistema d'immagazzinaggio per l'idrogeno liquido, con una capacità di 3.800 m3, è posseduto, attualmente, dalla NASA.

Riguardo questa tecnologia, il costo operativo maggiore è dovuto all'elettricità necessaria per la compressione per cui, attualmente, si stanno analizzando alcuni metodi per la riduzione della quantità di energia elettrica richiesta. Una delle possibili soluzioni, la liquefazione magnetica, è in fase di sviluppo (Veziroglu e Barbir, 1998).

Per quanto riguarda il rifornimento di veicoli, quello dell'idrogeno liquefatto potrebbe sembrare uno dei metodi più adatti. Sennonché bisogna considerare i notevoli rischi legati, solo per fare un esempio, alle perdite di carburante o ai problemi di sicurezza dovuti allo spazio ristretto a disposizione dei parcheggi. Inoltre, si stanno progettando dei serbatoi ad alta pressione leggeri ed impermeabili all’idrogeno. Lo scopo è quello di utilizzare tali serbatoi in spazi ristretti ed in particolare a bordo di veicoli. Basato sul principio fisico che i cilindri siano efficienti nel contenere la pressione interna, questi serbatoi sono costituiti da più cilindri congiunti, con un reticolato rinforzato interno. Il risultato è quindi quello di un contenitore "multi-cella" il cui numero è ottimizzato in base al volume del liquido da immagazzinare. Con questo metodo è possibile immagazzinare il 50% di idrogeno in più rispetto all’uso di serbatoi tradizionali multipli. Attualmente sono stati già sperimentati i primi serbatoi formati da sole due celle


Idruri metallici
Una tecnologia che in passato era considerata molto interessante ma che ha mostrato i suoi limiti nel costo della materia prima e nel peso dei sistemi, il volume di accumulo potrebbe essere paragonato a quello dei carburanti attuali, ma il peso diventa anche 10 volte maggiore.
Gli idruri di metallo sono dei composti che trattengono idrogeno nello spazio interatomico di un metallo (fig. 1). La loro origine risale all’anno 1866 quando Graham notò l’assorbimento di consistenti quantità di idrogeno da parte del palladio ma fino agli anni 1960 furono poche le applicazioni degli idruri di metallo.
 Nell'immagine a lato lo schema della reazione d’idrogenazione del metallo.  

Il motivo di questo disinteresse era dovuto al fatto che gli idruri conosciuti erano di tipo "binario" cioè composti solo da un metallo e dall’idrogeno e anche quando furono sperimentati i primi idruri di tipo "ternario" fu inizialmente quasi impossibile controllare le loro proprietà meccaniche e termodinamiche. Questi problemi rimasero irrisolti fino a quando, in seguito ai lavori pionieristici di S.R. Ovshinsky, si crearono i primi idruri a base di leghe di metalli le cui diverse proprietà furono adeguatamente impiegate e le applicazioni pratiche degli idruri rese così possibili (www.ovonic.com)

Gli idruri si formano ed agiscono attraverso due fasi: l’assorbimento ed il rilascio dell’idrogeno. L'assorbimento dell'idrogeno nello spazio interatomico (idrogenazione) è un processo esotermico che richiede raffreddamento mentre la sottrazione di idrogeno (deidrogenazione) è un processo endotermico che richiede calore.

Quando la pressione dell’idrogeno viene inizialmente aumentata l’idrogeno si dissolve nel metallo e quindi comincia a legarsi con esso. In questa fase la pressione operativa rimane costante fino al raggiungimento del 90% della capacità di immagazzinaggio. Al di sopra di questo limite è necessario operare con pressioni elevate per raggiungere il 100% della capacità. La dispersione di calore durante la formazione dell’idruro devono essere continuamente rimosse per evitare che l’idruro si infiammi. Se l’idrogeno viene estratto da un altro gas, una parte di esso può essere liberata in modo che porti via gli elementi estranei che non si legano al metallo. Con la deidrogenazione invece, si spezza il legame formatosi tra il metallo e l’idrogeno e la pressione operativa aumenta all’aumentare della temperatura. Inizialmente si opera a pressione elevata e viene rilasciato idrogeno puro quindi in seguito alla rottura del legame con il metallo la pressione si stabilizza fino a ridursi drasticamente quando nell’idruro residua circa il 10% dell’idrogeno. Quest’ultima parte di gas è molto difficile da rimuovere essendo quella più saldamente legata al metallo e quindi spesso non può essere recuperata nel normale ciclo di carico e scarico (Amos, 1998).

La temperatura e la pressione di queste reazioni dipendono dalla composizione specifica dell'idruro. Il calore di reazione può variare da 9.300 fino a 23.250 kJ/kg di idrogeno e la pressione può anche superare i 10 MPa. La temperatura di deidrogenazione a sua volta può superare i 500 °C. considerato questo vasto campo di temperatura e pressione, la costruzione di unità d’immagazzinaggio presenta notevoli difficoltà. Inoltre, ogni lega ha differenti caratteristiche quali il ciclo di vita e la temperatura di reazione.

Il contenitore dell’idruro deve essere pressurizzato e contenere una area sufficientemente grande per lo scambio del calore al fine di garantire la rapidità delle fasi di carico e scarico dell’idruro per le quali è richiesta, inoltre, stabilità termica e strutturale della lega impiegata (Amos, 1998).

Anche se per la deidrogenazione è necessario calore, l'eventualità che si verifichino perdite di idrogeno non riveste particolare importanza ed è questo il motivo per cui tali tecnologie sono considerate sicure. Gli svantaggi sono, però, la pesantezza dei sistemi, la bassa densità gravimetrica dell'idrogeno (1%-7%) ed i costi generalmente elevati che non consentono ancora la realizzazione di sistemi di immagazzinaggio ad idruri di metallo funzionanti commercialmente su larga scala.

I costi operativi per tali sistemi includono quelli relativi alle operazioni di raffreddamento per l'idrogenazione e riscaldamento per la deidrogenazione. L'ammontare di calore richiesto dipende dal tipo di metallo e dalle sue applicazioni. Se, per esempio, il sistema è integrato con una cella a combustibile, la quantità di calore necessaria può essere fornita dal carico di raffreddamento della cella ed avere in questo modo un costo insignificante. Così, idruri a bassa temperatura potrebbero ben integrarsi con celle PEM (Polymer Electrolyte Membrane 4) che operano a 80 °C, mentre idruri ad alta temperatura con celle del tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) e MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) che operano rispettivamente a 1000 °C e 650 °C. Gli altri sistemi d'immagazzinaggio, invece, non hanno la possibilità di integrarsi con tali tecnologie.

Il costo totale di questi sistemi è influenzato fortemente dal costo dell'idruro di metallo e sono ulteriormente penalizzati dall'assenza di economie di scala. Queste leghe, inoltre, non hanno attualmente un largo impiego, per cui sono prodotte in quantità limitate. Una crescita della loro domanda, con conseguente carenza di materiali disponibili, avrebbe come conseguenza incrementi notevoli dei loro costi e l'impossibilità, quindi, di realizzare economie di scala.

Per il futuro, anche se si prevede un incremento del costo delle leghe impiegate, si auspica che almeno sistemi molto piccoli possano essere competitivi con altre tecnologie.


Idruri chimici
Una tecnologia promettente con continue ed interessanti evoluzioni. In pratica l'idrogeno viene imprigionato nei legami chimici di varie molecole inorganiche: con azoto si ottiene ammoniaca, con CO2 si ottiene metanolo , con carbonio si ottiene metilcicloesano, con borace si ottiene sodio boroidruro

Gli idruri chimici costituiscono un altro metodo per l'immagazzinaggio dell'idrogeno, utilizzato principalmente per periodi d'immagazzinaggio stagionali. Questo metodo può essere utile per Paesi, come il Canada, che hanno un surplus di energia idroelettrica durante l'estate ed una carenza durante i mesi invernali. Il Giappone inoltre, sta programmando la produzione di idrogeno in Canada, sfruttando appunto l’energia idroelettrica per l’elettrolisi, per poi importarlo sotto forma di idruro e rigenerarlo per la produzione di elettricità. Lo svantaggio di tale tecnica è quello delle imponenti e costose attrezzature necessarie per il trasporto transoceanico. A tal proposito, sono state proposte numerose sostanze chimiche contenenti idrogeno, tra cui ammoniaca e metanolo la cui elevata tossicità pone però non pochi problemi.

L'uso dei sistemi chimici è vantaggioso perché le infrastrutture di trasporto ed immagazzinaggio sono già esistenti, la tecnologia è sfruttabile commercialmente e l'idrogeno liquido è facilmente maneggiabile (Padrò e Putsche, 1999).

In particolare, l’utilizzo del toluene, con formazione di metilcicloesano (il sistema basato su Metilcicloesano-Toluene-Idrogeno, MTI) è promettente poiché sia il toluene sia il metilcicloesano sono composti conosciuti, facilmente trasportabili e sicuri. La formazione di metilcicloesano è ottenuta mediante idrogenazione del toluene seguita da quella di deidrogenazione (che avviene a circa 500° C), con un consumo del 20% dell’energia contenuta nell’idrogeno liberato. Per il peso e l’ingombro degli impianti questa tecnica si presta, oltre che per l’accumulo stagionale, anche per l’utilizzo su mezzi pesanti (Ruberti, 2000).

E' stato inoltre analizzato un sistema composto da energia idrica-elettrolisi-MTI integrato con una cella a combustibile che, in rapporto all’elettricità generata, sarebbe competitivo con i nuovi sistemi ad energia idrica

Fonte
www.poweron.ch/idrogeno.ppt
www.poweron.ch

NaBH4 Sodio Boroidruro
La tecnologia che in futuro potrebbe risolvere maggiori problemi di accumulo, trasporto e distribuzione dell'idrogeno sembra essere la tecnologia basata sul sodio boroidruro. In pratica l'idrogeno viene imprigionato nei legami chimici del boro e del sodio, formando un sale. Una soluzione acquosa composta per metà da sodio boroidruro e metà di acqua (in peso) fornisce (attraverso un catalizzatore al rutenio) idrogeno con un rapporto energetico simile, in volume, alla benzina. Una volta che l'idrogeno viene estratto dal sodio boroidruro rimane del borace, una sostanza presente nei detersivi comuni, la quale può essere riciclata nuovamente in sodio boroidruro.

L'utilizzo del NaBH4 non è recente, la Nasa lo aveva adottato per alimentare i razzi dello shuttle, il programma fu accantonato negli anni '70 perchè il sale non reggeva le enormi temperature a cui sono sottoposte le strutture dello shuttle. I tecnici dell'epoca sostenevano che il sodio boroidruro avrebbe avuto una possibilità nell' impiego per uso civile tra la fine e inizio secolo.

La DaimlerChrisler ha costruito un prototipo applicando la tecnologia che utilizza il sale in questione per alimentare delle fuelcell (il Natrium, su un modello Town & Country della Chrysler). Anche la PSA-Peugeot ha costruito un prototipo con il catalizzatore al rutenio, si chiama H2O.

La Millennium cell (che produce i sistemi catalizzatori brevettati ) ha realizzato diversi prototipi con la Ford. Altre applicazioni stanno per essere presentate dalla Amperion, una ditta di servizi per le compagnie di telecom ,in particolare per i generatori elettrici di emergenza nelle centrali di telecomunicazioni, ospedali, uffici ecc. Probabilmente la prima applicazione in scala sarà attuata dall'esercito USA che sta costruendo dei generatori strategici e tattici per le necessità di energia elettrica logistica.

I problemi da superare sono:

1) Alto costo del sodio boroidruro, comunque il borace residuo può essere continuamente riciclato per cui il costo diventa ammortizzabile.

2) Messa a punto di un buon sistema di riciclaggio sodio boroidruro-borace-sodio boroidruro.

3) Ottimizzazione del sistema catalizzatore sia in costi che in rendimento

I problemi sono in gran parte di tipo economico, la Millennium Cell indica in 4/5 anni il tempo necessario a loro per ovviare a questi problemi e ritiene che il sistema possa avere una certa diffusione tra una decina d'anni. Probabilmente con investimenti maggiori i tempi potrebbero essere accorciati.

In pratica, l'utilizzo di questo sistema risolverebbe due terzi dei problemi che ostacolano l'impiego di idrogeno, il sistema di accumulo -trasporto e il sistema di distribuzione-utilizzo, in quanto, a differenza di tutti gli altri sistemi, non è infiammabile e neanche tossico-nocivo. Certo è una tecnologia abbastanza recente ma dobbiamo comunque avanzare una critica ai mezzi di informazione nazionali che non hanno non solo messo in evidenza ma neanche accennato a questa nuova prospettiva.

www.millenniumcell.com



Nanotecnologie
Le nanotecnologie sembrano poter dire la loro anche a proposito di accumulo dell'idrogeno, sopratutto usando nanostrutture e nanotubi di carbonio. Tali sistemi sono ancora in fase sperimentale ma sembrano promettenti in peso e volumi di idrogeno accumulato e anche per i relativamente bassi costi previsti.

A temperature criogeniche (70-113 K) e pressioni moderate (42-54 atm) il carbonio reso radioattivo, può assorbire, reversibilmente, 0,043-0,072 kg H2/kg di carbonio. Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha recentemente raggiunto una capacità d'immagazzinaggio gravimetrica del 5%-10%, a temperatura normale, usando nanotubi al carbonio.

Attualmente, sono numerosi gli studi relativi a sistemi che consentano d'immagazzinare, a temperatura normale, attraverso tali tecnologie, notevoli quantitativi d'idrogeno. Le nanostrutture al carbonio possono rappresentare la risposta tecnologica alla richiesta di un sistema che renda realizzabile il progetto di veicoli alimentati ad idrogeno.

Le due nanostrutture al carbonio che rivestono maggiore interesse sono nanotubi isolati singolarmente e nanofibre di grafite. I nanotubi al carbonio, pori allungati con diametri di dimensioni molecolari, assorbono idrogeno, con un'azione capillare a temperature non-criogene. Il NREL ha prodotto e testato dei nanotubi isolati, con tecniche di produzione ad alti rendimenti, che hanno dimostrato di poter trattenere il 5%-10% del peso dell'idrogeno, a temperatura normale. Le nanofibre alla grafite sono composte da materiali generati dalla decomposizione di miscele contenenti idrocarburi. La parte solida è formata da un insieme di nanocristalli distanziati uniformemente a 0,34-0,37 nanometri, curvati insieme dalle forze di van der Waals per formare una struttura di nanopori a parete flessibile. La Northeastern University prevede che queste strutture possano avere eccellenti capacità d'immagazzinaggio.

I sistemi con nanostrutture al carbonio potrebbero essere realizzati con costi particolarmente bassi, ma la ricerca è ancora ai primi passi e non è possibile effettuare analisi precise. Attualmente, infatti, nessuno di questi sistemi può essere sfruttato commercialmente.

Altre info
www.ncbi.nlm.nih.gov

Microsfere di cristallo
Questa tecnologia consiste nell'imprigionare idrogeno in minuscole sfere di vari tipi di cristallo. Il "carburante" così ottenuto si presenta come una sabbia, alta densità di accumulo , peso relativamente basso e costi tra i più promettenti.

Oltre ai numerosissimi studi sullo sviluppo delle nanostrutture, la ricerca sta indirizzandosi verso altre soluzioni. Una di queste potrebbe essere l’immagazzinaggio dell’idrogeno in microsfere di cristallo. Esse consistono in piccole sfere di cristallo, vuote, con un diametro che varia da 25 a 500 micron ed uno spessore di un solo micron. Attualmente in commercio ne sono disponibili numerosi tipi di diversa taglia, spessore e composizione dei cristalli. Le microsfere vengono trattate e trasportate commercialmente sotto forma di polvere fluida. Possono essere utilizzate su grossi basamenti per immagazzinare idrogeno ad alta pressione.

L’incapsulamento dell’idrogeno è realizzato tramite il riscaldamento di un letto di microsfere vuote in un ambiente denso di idrogeno. L’idrogeno si introduce nelle sfere attraverso il sottile involucro esterno di cristallo, reso permeabile dalle alte temperature alle quali avviene il processo (da 200 °C a 400 °C). Tale processo si conclude quando l’idrogeno, all’interno delle sfere, raggiunge la stessa pressione esterna. Alla fine il letto  di microsfere viene raffreddato e l’idrogeno non incapsulato viene liberato o trattenuto per altre applicazioni. L’efficienza del processo quindi, dipende da determinate caratteristiche quali: pressione dell’idrogeno, temperatura, volume, dimensioni e composizione chimica delle microsfere. Una volta raffreddate a temperatura ambiente le microsfere trattengono al loro interno l’idrogeno. Successivamente vengono ricoperte, immagazzinate in recipienti a bassa pressione e trasportate sotto forma di polvere sottile. L’estrazione dell’idrogeno dalle microsfere avviene tramite il loro riscaldamento. Successivamente vengono nuovamente ricoperte e riciclate per altri incapsulamenti. Il rilascio dell’idrogeno può essere provocato anche con la rottura delle sfere, con lo svantaggio, però, di non poterle più riutilizzare. L’energia termica necessaria a questo scopo può essere fornita da un riscaldatore elettrico alimentato da una piccola cella ad idrogeno o da una batteria, ricaricate da un generatore meccanico.

E’ stato dimostrato che questo metodo d’immagazzinaggio, opportunamente accessoriato e modificato, può risultare pratico e conveniente per l’applicazione su veicoli. Sono state anche individuate le microsfere più idonee, per composizione e dimensioni, a tale applicazione. Esso è inoltre più conveniente degli idruri di metallo, ha la loro stessa sicurezza e non presenta problemi in caso di esposizione all’aria.

Tale metodo, ha buone prospettive di prevalere rispetto agli altri sia per le caratteristiche tecniche sopra descritte sia per la sua competitività a livello economico

Zeoliti
Le zeoliti, sono delle rocce, che a livello molecolare, si comportano come delle spugne. E’ possibile far penetrare al loro interno dell’idrogeno che rimane così intrappolato, pronto per un successivo utilizzo.
E' possibile aggiungere degli ioni con carica negativa, all’interno delle zeoliti. Questi ioni agiscono come dei veri e propri tappi bloccando i pori presenti nei cristalli di zeolite. Riscaldando leggermente i cristalli gli ioni vengono rimossi dai pori e a questo punto è possibile riempire i cristalli di zeolite con l’idrogeno. Riportando il sistema alla temperatura ambiente, gli ioni ritornano la loro posto, sigillando all’interno l’idrogeno.

In natura esistono circa 50 diversi tipi di zeoliti, differenti tra loro per proprietà chimiche e struttura cristallina. Nessuna di loro è però in grado di conservare più del 2%-3% in peso di idrogeno. Troppo poco se si vuole che un serbatoio di zeolite, arricchita d’idrogeno, sia in grado di assicurare un’autonomia paragonabile a quella di un pieno di super. Per questo è necessario sviluppare zeoliti artificiali, in grado almeno di raddoppiare il loro contenuto in idrogeno.

I tecnici della NASA stanno conducendo esperimenti per mettere a punto delle tecniche di "crescita" di Zeoliti artificiali che permettano l'assorbimento di una quantità di idrogeno idonea ad una sufficiente autonomia.

www.h2fc.com/technology/hydrogen/storage
guide.supereva.com

Strategie possibili per un'attuale filiera
Fintanto non sia individuato il sistema migliore per l'accumulo di idrogeno possono essere adottate strategie e tecnologie già collaudate e praticabili con le attuali strutture e reti di distribuzione.Alcuni esempi:

1) Qualsiasi idrocarburo addizionato con idrogeno migliora la combustione e il suo rendimento.

2) Metano additivato con il 15 per cento in peso di idrogeno, corrispondente al 5 per cento in termini energetici, definito commercialmente Hythane.

3) Ammoniaca: attualmente viene preparata da idrogeno estratto da idrocarburi, in particolari condizioni può essere più conveniente prepararla partendo da idrogeno elettrolitico e azoto atmosferico.

4) Alcool metilico: attualmente viene ottenuto da idrocarburi, in particolari condizioni può essere più conveniente ottenerlo da idrogeno più anidride carbonica (reazione di Sabatier) recuperabile magari da grossi impianti di immissione in atmosfera.

5) Syngas: attualmente si ottiene da pirolisi o gassificazione di biomasse, si può produrre anche partendo da idrogeno ed ancora da anidride carbonica.