In un mondo di temperature sempre più calde, un consenso crescente richiede che le fonti energetiche abbiano emissioni di carbonio pari a zero o prossime allo zero. Ciò significa andare oltre il carbone, il petrolio e il gas naturale ottenendo più energia da fonti rinnovabili.
Uno dei vettori di energia rinnovabile più promettenti è l’idrogeno pulito, prodotto senza combustibili fossili.
È un’idea promettente perché l’elemento più abbondante nell’universo è l’idrogeno, che si trova nel 75% di tutta la materia. Inoltre, una molecola di idrogeno ha due atomi accoppiati, gemelli Gemelli, entrambi atossici e altamente combustibili.
Il potenziale di combustione dell’idrogeno lo rende un argomento interessante per i ricercatori energetici di tutto il mondo.
Al Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), un team sta studiando l’idrogeno come mezzo per immagazzinare e rilasciare energia, in gran parte rompendo i suoi legami chimici. Gran parte del loro lavoro è legato al consorzio Hydrogen Materials-Advanced Research (HyMARC) presso il Department of Energy (DOE).
Stoccaggio di idrogeno non ancora ottimizzato
Un obiettivo di ricerca del PNNL riguarda l’ottimizzazione dello stoccaggio dell’idrogeno, un problema ostinato. Ad oggi, non esiste un modo completamente sicuro, economico ed efficiente dal punto di vista energetico per immagazzinare l’idrogeno su larga scala.
I ricercatori del PNNL hanno recentemente coautore di un documento che indaga su una soluzione di bicarbonato di sodio come mezzo per immagazzinare l’idrogeno. Lo studio è già stato soprannominato “hot paper” dalla rivista stessa, Chimica Verde, pubblicato dalla Royal Society of Chemistry. Ciò significa che ha avuto molti clic che hanno mostrato interesse.
Gli sforzi di stoccaggio a base di idrogeno al PNNL sono finanziati dall’Ufficio per le tecnologie dell’idrogeno e delle celle a combustibile del DOE presso l’Ufficio per l’efficienza energetica e l’energia rinnovabile (EERE). La ricerca promuove l’iniziativa H2@Scale del DOE e l’Hydrogen Shot dell’agenzia.
I due autori principali del nuovo documento sono il chimico e borsista di laboratorio del PNNL Thomas Autrey e il suo collega Oliver Gutiérrez, un esperto nel rendere le reazioni chimiche rapide ed economiche.
“Devi essere un po ‘creativo”, ha detto Autrey, che è divertito da quanto il bicarbonato di sodio comune, economico e delicato sia una potenziale risposta a un grosso problema. “Non tutte le sostanze chimiche saranno efficienti nello stoccaggio dell’idrogeno. Devi lavorare con ciò che ti offre Madre Natura”.
Idrogeno pulito per il fabbisogno energetico a lungo termine
Autrey, Gutiérrez e altri del PNNL vedono lo stoccaggio di energia a lunga durata come la chiave per il futuro dell’idrogeno come vettore di energia rinnovabile.
L’attuale tecnologia delle batterie è progettata per diverse ore di conservazione. In una rete di energia rinnovabile, le batterie possono gestire circa l’80% del fabbisogno di stoccaggio.
Ma “l’ultimo 20 percento adotterà approcci unici”, ha affermato Autrey. “Vogliamo immagazzinare l’energia in eccesso per essere preparati Dunkelflaute.”
Questa è una parola tedesca che descrive condizioni senza sufficiente potenziale di energia solare ed eolica. Durante i periodi bui e senza vento di Dunkelflautele reti hanno bisogno di un modo per immagazzinare energia per più di poche ore.
La capacità di immagazzinamento stagionale come questa è una delle attrattive dell’idrogeno. Così è il fatto che lo stoccaggio dell’idrogeno può avvenire ovunque sia “geograficamente agnostico”, come dicono gli esperti. L’energia idroelettrica, ad esempio, richiede differenze di altitudine per immagazzinare l’acqua in eccesso per produrre energia. Lo stoccaggio dell’idrogeno non richiede condizioni particolari legate alla geografia.
Inoltre, ha affermato Autrey, man mano che le squame diventano più grandi, l’idrogeno diventa più economico. È più economico acquistare alcuni serbatoi di stoccaggio di idrogeno aggiuntivi piuttosto che acquistare molte batterie.
Trovare il modo migliore per lo stoccaggio dell’idrogeno
L’idrogeno pulito ha grandi promesse come fonte di energia. Un processo chiamato elettrolisi, ad esempio, può scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Nel migliore dei mondi, l’energia per l’elettrolisi verrebbe da fonti di energia rinnovabile, tra cui solare, eolica e geotermica.
Tuttavia, c’è una sfida ostinata: produrre idrogeno in modo più economico.
Per far fronte a ciò, nel 2021 il DOE ha annunciato la sua iniziativa Energy Earthshots, una serie di sei passaggi per sostenere scoperte nella tecnologia dell’energia pulita. Introdotto per primo è stato l’Hydrogen Shot, una ricerca per ridurre il costo dell’idrogeno da $ 5 a $ 1 per chilogrammo in un decennio: una riduzione dell’80%.
Oltre a ridurre i costi di produzione dell’idrogeno pulito, “devi capire come spostarlo e immagazzinarlo”, ha affermato Autrey, che sono passi che possono far salire i prezzi.
Ma trovare il mezzo ideale per lo stoccaggio dell’idrogeno è stato difficile.
L’idrogeno può essere compresso in un gas, ma ciò richiede pressioni molto elevate, fino a 10.000 libbre per pollice quadrato. Un serbatoio di stoccaggio sicuro avrebbe bisogno di pareti di acciaio molto spesso o costosa fibra di carbonio spaziale.
Che ne dici di idrogeno liquido criogenico? Questo è un supporto di archiviazione collaudato, ma richiede di ottenere e mantenere qualcosa di così freddo (-471 F o -279,4 C) che i costi energetici periferici sono significativi.
Ciò che sembra essere più promettente sono le molecole liquide, ottimizzate per immagazzinare e rilasciare idrogeno. Jamie Holladay, un esperto di energia sostenibile, ha recentemente diretto la ricerca guidata dal PNNL su strategie più semplici ed efficienti per la liquefazione dell’idrogeno.
L’utilizzo di tali liquidi come supporto di stoccaggio ha il vantaggio di mantenere in atto le infrastrutture energetiche esistenti, inclusi oleodotti, camion, treni e navi prenditori, ha affermato Gutierrez.
Il ciclo bicarbonato-formiato
Vuoi cuocere i biscotti? O immagazzinare l’energia dell’idrogeno? Il bicarbonato di sodio potrebbe essere il biglietto. Questo delicato ed economico sale di sodio del bicarbonato non è tossico e abbondante sulla Terra.
Non esattamente il bicarbonato di sodio. Il team del PNNL sta studiando le proprietà di immagazzinamento dell’energia dell’idrogeno del ciclo bicarbonato-formiato a lungo studiato. (Il formiato è una molecola organica liquida sicura e delicata.)
Ecco come funziona: le soluzioni di ioni formiato (idrogeno e anidride carbonica) in acqua trasportano idrogeno a base di formiato di metallo alcalino non corrosivo. Gli ioni reagiscono con l’acqua in presenza di un catalizzatore. Quella reazione rende l’idrogeno ei bicarbonati il ”bicarbonato di sodio” che Autrey ammira per la sua assenza di impatti ambientali.
Con le giuste lievi modifiche alla pressione, il ciclo del bicarbonato-formiato può essere invertito. Ciò fornisce un interruttore on-off per una soluzione acquosa che può alternativamente immagazzinare o rilasciare idrogeno.
Prima del bicarbonato di sodio, il team di stoccaggio dell’idrogeno del PNNL considerava l’etanolo come vettore di idrogeno organico liquido, il termine generico del settore per i mezzi di stoccaggio e trasporto. In tandem, hanno sviluppato un catalizzatore che rilascia l’idrogeno.
I catalizzatori sono additivi di progettazione che accelerano i processi utilizzati per creare e rompere i legami chimici in modo efficiente dal punto di vista energetico.
Nel maggio 2023, per un progetto relativo allo sforzo PNNL, EERE ha concesso a OCOchem di Richland, Washington, un finanziamento di 2,5 milioni di dollari in due anni per sviluppare un processo elettrochimico che produce formiato e acido formico dall’anidride carbonica. Il processo legherebbe l’anidride carbonica con l’idrogeno situato nell’iconico legame chimico dell’acqua, H2O.
In una partnership appena iniziata, PNNL svilupperà modi per rilasciare idrogeno dai prodotti OCOchem.
Stoccaggio di idrogeno che “sembra acqua”
Nel mondo della ricerca sullo stoccaggio dell’idrogeno, il ciclo del bicarbonato-formiato ha creato scalpore per un bel po’ di tempo. Dopotutto, si basa su materiali abbondanti, non infiammabili e non tossici.
Il ciclo è costruito su una soluzione di stoccaggio acquosa così mite che “sembra acqua”, ha detto Autrey. “Puoi spegnere un incendio con esso.”
Ma affinché i sali formiato-bicarbonato diventino un mezzo praticabile per immagazzinare l’energia dell’idrogeno, i ricercatori devono ancora sviluppare scenari economicamente fattibili. Finora, la tecnologia immagazzina idrogeno a soli 20 chilogrammi per metro cubo, rispetto allo standard industriale dell’idrogeno liquido di 70.
Fondamentalmente, ha affermato Autrey, i ricercatori hanno bisogno di una comprensione a livello di sistema dell’elettrochimica e della catalisi richieste. In termini ingegneristici, ad oggi, l’idea di un ciclo bicarbonato-formiato lavorabile ha un basso livello di prontezza tecnica.
“Se risolviamo i problemi di catalisi”, ha aggiunto, “potremmo ottenere un vero interesse”.
“Un’incredibile cosa luccicante”
Tra i lati positivi, le soluzioni saline prese in considerazione al PNNL rilasciano idrogeno per reazione con l’acqua. Funzionano anche a temperature moderate e basse pressioni.
Almeno in teoria, come descrivono Autrey e Gutiérrez nel loro articolo del 2023, il ciclo bicarbonato-formiato rappresenta “un’alternativa verde fattibile per immagazzinare e trasportare energia” dall’idrogeno.
L’idea del bicarbonato di sodio è anche al centro di ciò che il documento del 2023 definisce “diverse sfide scientifiche urgenti”.
Tra questi c’è come realizzare un mezzo di stoccaggio dell’idrogeno dall’anidride carbonica in eccesso catturata. E persino utilizzare gli stessi mezzi per immagazzinare elettroni, il che offre la promessa di celle a combustibile a formiato diretto.
Inoltre, il lavoro del PNNL potrebbe fornire spunti per la catalisi nella fase acquosa (acqua). Per ora, il team PNNL sta usando il palladio come candidato catalizzatore. I loro sforzi includono la ricerca di modi per rendere il metallo raro più stabile, riutilizzabile e di lunga durata.
In tutto, l’idea del bicarbonato di sodio “è questa incredibile cosa brillante” per lo stoccaggio dell’idrogeno, ha detto Autrey. “Ciò che è eccitante sono le possibilità.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
