“Riflessioni” di prof. Giancarlo Elia Valori – Le fasi e le scelte di produzione d’energia dall’idrogeno

“Riflessioni” di Prof. Giancarlo Elia Valori, Cavaliere del Lavoro, Honorable de l’Académie des Sciences de l’Institut de France, President of International World Group

a cura di Alberto Rino Chezzi

Esistono tre modi principali per utilizzare l’energia dell’idrogeno:
1) combustione interna;
2) conversione in energia elettrica tramite pila (o cella) a combustibile;
3) fusione nucleare.
Il principio di base di un motore a combustione interna a idrogeno è lo stesso di un motore a combustione interna a benzina o diesel. Il motore a combustione interna a idrogeno è una versione leggermente modificata del tradizionale motore a combustione interna a benzina. La combustione interna dell’idrogeno brucia direttamente l’idrogeno senza utilizzare altri combustibili o produrre vapore acqueo per lo scarico.
I motori a combustione interna a idrogeno non richiedono alcun ambiente speciale costoso o catalizzatori per eseguire completamente il lavoro, quindi non ci sono problemi di costi eccessivi. Molti motori a combustione interna a idrogeno sviluppati con successo sono ibridi, cioè possono utilizzare idrogeno liquido o benzina come carburante.
In questo modo, il motore a combustione interna a idrogeno diventa un buon prodotto di transizione. Ad esempio, se non si riesce a raggiungere la destinazione dopo il rifornimento, ma si trova una stazione di rifornimento di idrogeno, si usa l’idrogeno come carburante; oppure si usa prima l’idrogeno liquido e poi una normale stazione di rifornimento. In questo modo, le persone non avranno timore di utilizzare veicoli alimentati a idrogeno quando le stazioni di rifornimento di idrogeno non saranno ancora diffuse.
Il motore a combustione interna a idrogeno ha una piccola energia di accensione ed è facile ottenere una combustione, quindi si può avere un migliore risparmio di carburante in condizioni di lavoro più ampie.
L’applicazione dell’energia dell’idrogeno si realizza principalmente attraverso le celle a combustibile. Ed il modo più sicuro ed efficiente per usarlo è convertire l’energia dell’idrogeno in elettricità attraverso tali celle.
Il principio di base della generazione di energia da celle a combustibile a idrogeno è la reazione inversa dell’elettrolisi di acqua, idrogeno e ossigeno forniti rispettivamente al catodo e all’anodo. E la diffusione dell’idrogeno, dopo che l’elettrolita reagisce, fa sì che gli elettroni emessi raggiungano l’anodo attraverso il catodo per mezzo di un carico esterno.
La principale differenza tra la cella a combustibile a idrogeno e la batteria ordinaria è che la batteria è un dispositivo di accumulo di energia che immagazzina energia elettrica e la rilascia quando necessario; mentre la cella a combustibile a idrogeno è strettamente un dispositivo di generazione di energia, come una centrale elettrica.
La stessa cosa di un dispositivo elettrochimico di generazione di energia che converte direttamente l’energia chimica in energia elettrica. L’uso della cella a combustibile a idrogeno per generare elettricità, converte direttamente l’energia chimica della combustione in energia elettrica senza combustione.
Il tasso di conversione dell’energia può raggiungere dal 60% all’80% e ha un basso inquinamento. Il dispositivo può essere grande o piccolo , ed è molto flessibile. In sostanza, le batterie a combustione di idrogeno funzionano in modo diverso dai motori a combustione interna: le batterie a combustione di idrogeno generano elettricità attraverso reazioni chimiche per spingere le auto, mentre i motori a combustione interna usano il calore per azionare le auto.
Poiché il veicolo a celle a combustibile non prevede la combustione nel processo di lavoro, non ci sono perdite meccaniche e corrosione. L’energia elettrica generata dalla batteria a combustione di idrogeno può essere utilizzata direttamente per azionare le quattro ruote del veicolo, tralasciando così il dispositivo di trasmissione meccanica.
I Paesi che stanno sviluppando la ricerca sono consapevoli del fatto che la batteria del motore a combustione di idrogeno porrà fine al periodo dell’inquinamento. La ricerca e lo sviluppo delle tecnologie hanno già prodotto con successo veicoli a celle a idrogeno: fra le industrie all’avanguardia produttrici di automobili vi sono GM, Ford, Toyota, Mercedes-Benz, BMW e altre importanti aziende internazionali.
Nel caso della fusione nucleare, la combinazione di nuclei di idrogeno (deuterio e trizio) in nuclei più pesanti (elio), rilascia enormi quantità di energia.
Le reazioni termonucleari, o i mutamenti radicali nei nuclei atomici, sono attualmente nuove fonti energetiche molto promettenti. I nuclei di idrogeno coinvolti nella reazione nucleare, come idrogeno, deuterio, fluoro, litio, iridio (ottenuto specialmente da meteoriti caduti sul nostro pianeta), ecc., ottengono l’energia cinetica necessaria dal movimento termico e provocano la reazione di fusione.
La reazione termonucleare stessa alla base dell’esplosione della bomba all’idrogeno, che può produrre una grande quantità di calore in un istante, non può ancora essere utilizzata nel significato pacifico. La reazione termonucleare in determinate condizioni però può ottenere una reazione termonucleare controllata. Quest’è un argomento importante per la ricerca sperimentale. La reazione termonucleare controllata è basata sul reattore a fusione. Una volta che un reattore a fusione ha successo, può fornire all’umanità la fonte di energia più pulita e inesauribile.
La fattibilità di un reattore a fusione nucleare controllato più grande è il tokamak. Il tokamak è un dispositivo a forma toroidale che utilizza un potente campo magnetico per confinare il plasma. Il tokamak è uno dei diversi tipi di dispositivi di confinamento magnetico sviluppati per produrre energia di fusione termonucleare controllata. A partire dal 2021, è il principale candidato per un reattore a fusione.
Il suo nome tokamak deriva dal russo (toroidal’naja kamera s magnitnymi katuškami: camera toroidale con bobine magnetiche). La sua configurazione magnetica è il risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati sovietici Andrej Dmitrievič Sacharov (1921-89) e Igor’ Evgen’evič Tamm (1895-1071), anche se il nome più precisamente risale al 1957.
Al centro del tokamak c’è una camera a vuoto a forma di anello con bobine avvolte all’esterno. Quando viene energizzato, all’interno del tokamak viene generato un enorme campo magnetico a spirale, che riscalda il plasma al suo interno a una temperatura molto elevata, che raggiunge il proposito della fusione nucleare.
Energia, risorse e problemi ambientali hanno urgente bisogno dell’energia dell’idrogeno per risolvere la crisi ambientale, ma la preparazione dell’energia dell’idrogeno non è ancora matura e la maggior parte della ricerca sui materiali di stoccaggio dell’idrogeno è ancora nella fase esplorativa di laboratorio. La produzione di energia da idrogeno dovrebbe concentrarsi anche sulla produzione “biologica” dello stesso.
Altri metodi di produzione dell’idrogeno sono insostenibili e non soddisfano i requisiti dello sviluppo scientifico. Nell’ambito della produzione biologica, quella microbica richiede una combinazione organica di ingegneria genetica e ingegneria chimica, in modo che la tecnologia esistente possa essere pienamente utilizzata per sviluppare organismi produttori di idrogeno che soddisfino i requisiti il prima possibile. La produzione di idrogeno da biomassa richiede un miglioramento continuo e una vigorosa promozione della tecnologia, ed è un processo difficile.
Lo stoccaggio dell’idrogeno incentrato sulla scoperta di nuovi aspetti dei materiali o della preparazione degli stessi, non è ancora a livello industriale su larga scala. Anche la considerazione di diversi meccanismi di stoccaggio dell’idrogeno, e del materiale da usare, necessita di ulteriori studi.
Inoltre, ogni materiale di stoccaggio dell’idrogeno ha i suoi vantaggi e svantaggi, e la maggior parte delle proprietà dei materiali di stoccaggio ha le caratteristiche che si riferoscono ad adduttività ed a proprietà di un singolo materiale più comunemente noto.
Pertanto, si ritiene che bisogna concentrare gli sforzi sullo sviluppo di un materiale composito di stoccaggio dell’idrogeno, che integri i vantaggi dello stoccaggio di più materiali singoli, nella direzione di un maggior impegno futuro.