Come l'ammoniaca potrebbe cambiare il gioco dell'energia

30/11/2022

Il mondo sta affrontando una sfida per il fabbisogno energetico - bilanciare domanda e offerta, costi e impatto ambientale - e una potenziale soluzione a questo problema è l'idrogeno. 

L'idrogeno è promettente come fonte di combustibile per motori a combustione, celle a combustibile e come alternativa al riscaldamento a gas naturale. L'unico residuo della sua combustione è l'acqua e ci sono diversi modi per produrre il gas senza la minaccia delle emissioni di carbonio.

Tuttavia, l'idrogeno puro è costoso da produrre in modo sostenibile e ancora più costoso da immagazzinare e trasportare rispetto ai combustibili fossili tradizionali. I ricercatori nel campo dell'energia hanno cercato di trovare i modi migliori per procurarsi l'idrogeno, nonché i metodi più pratici per il suo trasporto, in modo che diventi un vero concorrente del gas naturale o dei prodotti petrolchimici. Ci sono alcuni modi per affrontare questo problema, scopri di più qui sotto.

Mentre l'idrogeno è attualmente più costoso della benzina, la giusta infrastruttura potrebbe portarlo a un livello comparabile.
Mentre l'idrogeno è attualmente più costoso della benzina, la giusta infrastruttura potrebbe portarlo a un livello comparabile.

Limiti dell'idrogeno 

Per tutti i suoi usi, l'idrogeno biatomico puro ha dei limiti che gli impediscono di essere pratico su scale più grandi. La produzione di combustibile a idrogeno non è strettamente priva di gas serra, e ci sono sia sostenibili che insostenibili metodi di produzione che devono essere presi in considerazione. Il più promettente attualmente è la scissione elettrolitica dell'acqua (utilizzando energia rinnovabile), che produce idrogeno e ossigeno gas come risultato.

Risolto il problema della produzione, si materializza la questione dell'efficienza: a pressione e temperatura ambiente, semplicemente non c'è abbastanza energia per unità di volume di gas idrogeno per fornire una misura comparabile contro i combustibili fossili. La densità energetica dell'idrogeno gassoso per chilogrammo è quasi tre volte quella dei carburanti tradizionali, tuttavia la capacità energetica realistica per litro è ordini di grandezza più piccoli. 

Sebbene l'idrogeno gassoso possa essere compresso ad alta pressione, ciò richiede attrezzature specializzate e ancora più energia per farlo, e può ancora raggiungere solo circa il 5% di idrogeno per unità di peso (dove il restante 95% è il peso del recipiente pressurizzato ). Lo stesso si può dire per l'idrogeno liquefatto che richiede una temperatura di -253°C o inferiore, che richiede apparecchiature di raffreddamento e potenza aggiuntiva. 

Soluzioni potenziali 

La migliore soluzione per l'utilizzo e il trasporto efficiente dell'idrogeno che gli scienziati hanno trovato non è affatto l'idrogeno puro. Esistono alternative che hanno un grande potenziale, vale a dire lo stoccaggio chimico e lo stoccaggio fisico.

Lo stoccaggio chimico è il luogo in cui gli atomi di idrogeno vengono immagazzinati all'interno delle molecole attraverso legami chimici, solo per essere rilasciati dopo che si è verificata una reazione chimica. Esistono molte opzioni potenziali per i vettori chimici dell'idrogeno, come idruri metallici o molecole organiche (ad es. alcoli, carboidrati).

Per essere più efficace, un materiale dovrebbe avere una capacità di idrogeno di almeno il 7% in peso e avere una temperatura di esercizio compresa tra 0 e 100°C. Molti idruri metallici richiedono una temperatura di almeno 200°C per rilasciare idrogeno. Gli idrocarburi organici si trovano in una posizione simile, con l'ulteriore svantaggio di emettere CO2 come prodotto di reazione.

I materiali porosi hanno un'area superficiale estremamente elevata in volume e possono adsorbire atomi o molecole come l'idrogeno all'interno dei pori.
I materiali porosi hanno un'area superficiale estremamente elevata in volume e possono adsorbire atomi o molecole come l'idrogeno all'interno dei pori.

Le opzioni di immagazzinamento fisico consentono all'idrogeno di essere adsorbito sulla superficie di un materiale in quantità molto maggiori rispetto a lasciare il gas contenuto da solo. I più comuni sono materiali spugnosi altamente porosi, come carbone attivo o strutture metallo-organiche (MOF). È stato riscontrato che un MOF riportato nel 2020 raggiunge un'eccezionale capacità di idrogeno del 14% in peso. Il limite di molti MOF, tuttavia, è che eseguono al meglio l'adsorbimento a temperature molto basse (molti intorno a -200°C) e perdono efficacia all'aumentare della temperatura.

Il ruolo dell'ammoniaca 

L'ammoniaca si è già fatta un nome come componente vitale dei fertilizzanti, con una produzione annua globale superiore a 200 milioni di tonnellate nel 2021. Ha anche suscitato ispirazione come metodo di stoccaggio chimico dell'idrogeno.

L'attuale metodo di produzione dell'ammoniaca non è verde: il processo Haber comporta la reazione di azoto gassoso e idrogeno gassoso insieme ad alte temperature e pressioni, dove l'idrogeno in questione è più spesso proveniente da combustibili fossili. Tuttavia, gli scienziati dell'energia stanno facendo passi da gigante con metodi di produzione alternativi, come celle a combustibile e reattori a membrana, che possono dare all'ammoniaca un'impronta più verde per carburanti, fertilizzanti e altro ancora.

Il principale uso industriale dell'ammoniaca è nei fertilizzanti come fonte di azoto.
Il principale uso industriale dell'ammoniaca è nei fertilizzanti come fonte di azoto.

L'ammoniaca è una molecola inorganica, costituita da un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno. Questa densità di idrogeno lo rende un attraente vettore chimico di idrogeno per scopi energetici, in alternativa al trasporto di idrogeno liquido puro in giro. Piuttosto che richiedere temperature inferiori a -253°C, l'ammoniaca è un liquido a soli -77°C a pressione atmosferica, o fino a -10°C a pressioni leggermente superiori. Inoltre, l'ammoniaca non contiene carbonio, quindi ha un grande potenziale come fonte di combustibile a emissioni zero. Può essere suddiviso in gas idrogeno e azoto in una cella a combustibile inversa, dove l'azoto biatomico può semplicemente ricongiungersi all'atmosfera senza alcun danno per l'ambiente.

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