L'energia da fonte rinnovabile è in sovrabbondanza.
Ma l'uomo non sa come conservare l'energia ricavata da fonti rinnovabili.
Idee e prospettive migliori di stoccaggio energetico.
La miscela nota come Hythane o idrometano è stata proposta nel 2007 dall'ASTER, dall'ENEA e dalla Hythane di Littleton (Colorado)[3]. La miscela è costituita da metano ed idrogeno gassoso, mantenuti ad alta pressione (300 atm) e a temperatura ambiente, entro un recipiente in acciaio rivestito da plastiche antiurto. Questi recipienti possono contenere dal 5 al 30% di idrogeno, ed il resto della miscela è costituito da CH4. La miscela attualmente non può essere utilizzata in pile a combustibile, ma può essere bruciata con relativa efficienza in motori a combustione interna a bassa compressione, come nei motori statunitensi a benzina (ciclo Otto) oppure nel motore Wankel.[4]
Già la miscela al 7% ha vantaggi ecologici rispetto al metano puro, per il punto di fiamma più basso dell'idrogeno, che porta alla combustione completa del hythane in motori a combustione interna [5].Rispetto alla combustione dell'idrogeno puro, la miscela Hythane riduce di sette volte la produzione degli inquinanti NOx [6].
[modifica]Altri metodi: nanotubi in carbonio, nanotubi in silicio
Animazione di un nanotubo
Attualmente vengono studiati altri metodi più esotici per veicolare l'idrogeno, per esempio basati sulle nanotecnologie, come i vari tipi di micro-sferule di carbonio-60 note come buckyballs ed i nanotubi in carbonio, ma sono ancora in una fase iniziale di ricerca [7].
Nel 2008 è stata annunciata la possibilità di utilizzare nanotubi in silicio per trasportare idrogeno in autoveicoli [8]. Simulazioni fisico/chimiche al computer con il metodo matematico "Grand Canonical Monte Carlo" indicano che i nanotubi di silicio possono assorbire maggiori quantità di idrogeno rispetto ai nanotubi al carbonio [9].
Nel febbraio del 2011, la Cella Energy Ltd., (suddivisione del en:Rutherford Appleton Laboratory[10]) presenterà alla Fuel Cell and Hydrogen Energy Expo di Washington una tecnologia pratica ed economica per immagazzinare l'idrogeno in micro-fibre intrecciate a formare micro-granuli finissimi (molto più fini della sabbia, tali da assumere una consistenza semi-liquida), che permetterebbe di servire l'idrogeno da distributori analoghi alle attuali pompe di benzina.
Assieme all'Università di Oxford e all'University College di Londra, questi ricercatori hanno prodotto (con tecniche di "elettrospinning" ed "elettrospray") fibre di diametro tra i 2 e i 50 nanometri che si intrecciano fra loro in modo da creare una sorta di "tessuto" microporoso. [11]
Gli idruri metallici, con differenti gradi di efficienza, possono essere usati come mezzo di stoccaggio dell'idrogeno, spesso reversibilmente.[2] Alcuni sono liquidi a temperatura ambiente e pressione standard, altri sono solidi che possono essere trasformati in sferette. Gli idruri proposti per l'uso nell'economia a idrogeno includono semplici idruri di magnesio o metalli di transizione e idruri metallici complessi, contenenti tipicamente sodio, litio o calcio e alluminio o boro. Questi materiali hanno una buona densità di energia per unità volumetrica, nonostante la loro densità di energia per unità di peso sia spesso peggiore dei più comuni carburanti idrocarburi. Inoltre, sono spesso necessarie alte temperature per il rilascio del loro contenuto di idrogeno.
Lo stoccaggio in idruri solidi è una possibile soluzione per lo stoccaggio automobilistico. Un serbatoio di idruro è circa tre volte più capiente e quattro volte più pesante di un serbatoio di benzina che produce la stessa energia. Per un'automobile standard, si tratta di circa 0,17 m3 di spazio e 270 kg contro 0,057 m3 e 70 kg. Un normale serbatoio di benzina pesa poche decine di chilogrammi ed è costruito in acciaio che il cui prezzo è stimato in circa $2,20/kg. Il litio, il costituente principale per peso di un recipiente di stoccaggio di idruri, costa attualmente $90/kg. Ogni idruro necessiterà di essere riciclato o ricaricato con idrogeno, a bordo dell'automobile o in una centrale di riciclo. Una cellula energetica metallo-ossido, per esempio una cellula di carburante zinco-aria o una cellula di carburante litio-aria, fornirà un uso migliore per il peso aggiunto rispetto a una cellula di carburante a idrogeno con un serbatoio di stoccaggio in idruro metallico.
Spesso gli idruri reagiscono per combustione, piuttosto violentemente per esposizione all'aria umida, e sono molto tossici a contatto con la pelle o con gli occhi, e quindi sono abbastanza ingombranti da manipolare (si veda borano, idruro di litio e idruro di alluminio). Questa è la ragione (oltre al peso ed al costo) per la quale alcuni combustibili, anche se sono stati proposti dall'industria dei lanci spaziali che ha speso tempo e risorse in queste ricerche, non sono mai stati utilizzati per alcun veicolo in lanci spaziali.
Alcuni idruri forniscono una bassa reattività (e quindi un'elevata sicurezza) ed elevate densità di stoccaggio (al di sopra del 10% in peso). I candidati principali sono il boroidruro di sodio, il tetraidruroalluminato di litio ed il borano di ammonio. Il boroidruro di sodio ed il borano di ammonio possono essere immagazzinati in forma liquida se mescolati con acqua, ma debbono essere stivati in grandi concentrazioni per produrre una densità accettabile di idrogeno e questo richiede un complicato sistema di riciclo dell'acqua nella fuel cell. In forma liquida, il boroidruro di sodio fornisce il vantaggio di poter reagire direttamente nella cella a combustione, permettendo la produzione di meno costose, più efficienti e più potenti fuel cell che non abbisognino di catalizzatori al platino. Riciclare il boroidruro di sodio è molto costoso in termini energetici e sarebbero necessarie appositi impianti di riciclaggio. Sistemi più efficienti di riciclaggio del boroidruro di sodio sono ancora in fase sperimentale. I sistemi di riciclaggio del borano di ammonio sono ancora del tutto da sperimentare.
Un ingombrante recipiente ad alta pressione utilizzato per lo stoccaggio dell'idrogeno.
L'immagazzinamento dell'idrogeno (o stoccaggio dell'idrogeno) descrive i metodi per immagazzinare H2 per un uso successivo. Le metodologie spaziano su molti approcci, inclusi l'alta pressione e la criogenica, ma si concentrano solitamente su materiali che rilasciano reversibilmente l'idrogeno tramite il riscaldamento.
L'immagazzinamento dell'idrogeno rappresenta un punto fondamentale nello sviluppo di un'economia dell'idrogeno. La maggior parte della ricerca sull'immagazzinamento dell'idrogeno punta ad una diminuzione del volume di stoccaggio, per applicazioni mobili.
Queste ricerche sono importanti anche per il ruolo che potrebbe avere l'idrogeno nel fornire un deposito per l'energia elettrica di fonti non prevedibili, come l'energia eolica.
La principale difficoltà nell'utilizzo dell'idrogeno come sistema di stoccaggio e che le trasformazioni energia-> idrogeno-> energia sono costose e tecnologicamente complesse.
Gli idrocarburi sono spesso immagazzinati nel punto di utilizzo, sia come liquido nei serbatoi di benzina, gasolio e GPL nelle automobili oppure nei serbatoi a propano compresso. L'idrogeno invece risulta molto costoso da stoccare e/o trasportare con le attuali tecnologie. L'idrogeno presenta una elevata densità di energia per unità di massa, ma scarsa densità energetica per volume rispetto agli idrocarburi, richiedendo quindi serbatoi di maggiori dimensioni per il suo deposito. Tali serbatoi per l'idrogeno sono quindi più pesanti rispetto a quelli degli idrocarburi a parità di contenuto energetico, lasciando invariati tutti gli altri fattori. Aumentare la pressione del gas migliorerebbe la densità di energia per unità di volume, ottenendo contenitori meno ingombranti, ma non più leggeri.[1] Comprimere un gas richiede energia per alimentare il compressore: una compressione più spinta comporta una maggiore perdita di energia durante il processo di compressione.
Alternativamente si potrebbe usare idrogeno liquido o neve di idrogeno a più alta densità volumetrica di energia (come nello Space Shuttle). Tuttavia l'idrogeno liquido richiede un immagazzinamento criogenico e bolle a circa 20,268 K (-252,882 °C ovvero -423,188 °F). Quindi la sua liquefazione impone una grande perdita di energia (poiché è richiesta energia per raffreddarlo fino a quelle temperature). I serbatoi devono poi essere ben isolati per evitare l'ebollizione e l'isolante per l'idrogeno liquido è solitamente costoso e delicato. Assumendo tutto questo risolvibile, rimane il problema della densità. L'idrogeno liquido ha densità energetica per unità di volume di circa 4 volte peggiore rispetto agli idrocarburi come la benzina. Questo evidenzia il problema della densità per l'idrogeno puro: vi è effettivamente il 64% in più di idrogeno in un litro di benzina (116 grammi di idrogeno) che in un litro di idrogeno liquido puro (71 grammi). Il carbonio nella benzina inoltre contribuisce attivamente all'energia della combustione.
Benzina all'idrogeno a 25 centesimi/ Ecco la scoperta che rivoluzionera' il mondo
Sabato, 12 Febbraio 2011 - 20:10
Venticinque centesimi al litro. La benzina del futuro potrebbe costare sei volte di meno rispetto al prezzo attuale. Il tutto grazie a un rivoluzionario utilizzo della tecnologia dell'idrogeno, messo a punto in Inghilterra dopo quattro anni di studi nei laboratori della Rutherford Appleton vicino a Oxford: gli scienziati della "Cella Energy", un'azienda all'avanguardia in questo settore, sono pronti a rivelare la scoperta che potrebbe sconvolgere non solo il mondo dei motori, della mobilit� in generale e dei problemi dell'inquinamento, ma anche mettere in crisi l'industria pi� potente al mondo: quella del petrolio. Se poi si considera che alcuni Paesi, come la Norvegia, hanno gi� un'autostrada ecologica in quanto percorribile solamente dalle automobili il cui motore � alimentato ad idrogeno e non a benzina, allora si capisce che gli effetti della scoperta potrebbero essere davvero rivoluzionari. Questo non significa soltanto un possibile crollo delle "Sette Sorelle" (le potentissime societ� leader dei carburanti, che mai come quest'anno hanno realizzato utili stratosferici); ma anche una rivoluzione nei rapporti economici con i Paesi produttori di petrolio che proprio sull'oro nero hanno basato ricchezza e sviluppo. Insomma, intorno a questa notizia potrebbero girare e scontrarsi interessi planetari. Tutto consiste nella capacita' di stoccare l'idrogeno a temperatura ambiente. Finora l'ostacolo al suo utilizzo era costituito dal fatto che l'idrogeno si pu� conservare solo a bassissime temperature oppure a pressione molto alta (e tutto cio' comporta costi e rischi). Ebbene, gli studiosi della azienda inglese, grazie alle nanotecnologie, sarebbero riusciti a incapsulare l'idrogeno in un tessuto polimero poroso. Questo nuovo carburante all'idrogeno sarebbe costituito da microcelle di borano di ammoniaca circondate da polimeri in modo da potere essere immesse nei serbatoi. I motori di tutti gli autoveicoli (ma anche degli aerei, pensate un po') per funzionare perfettamente avrebbero bisogno soltanto di qualche lieve modifica. Le microfibre prodotte in laboratorio hanno lo spessore equivalente a un trentesimo di capello e si possono trasformare in sostanza liquida distribuibile alle pompe. Oltre al costo ultraridotto, ci sarebbe un ulteriore, enorme vantaggio: nessuna emissione se non vapore acqueo.:ohhh
Grazie ad un catalizzatore creato da un chimico del MIT, Daniel Nocera, la luce del sole potrebbe trasformare facilmente l’acqua in idrogeno. Se il processo potesse essere scalato, questo renderebbe l’energia solare la fonte dominante e potenziale di energia per tutto il mondo. “Io vado a mostrarvi qualcosa che ancora nessuno finora ha dimostrato” ha affermato Daniel Nocera, professore di chimica al MIT parlando davanti ad un auditorium colmo di scienziati, ricercatori e funzionari del governo USA. L’intero processo è basato sulla ricreazione del processo di fotosintesi: “Questo è il futuro. Abbiamo così ricreato una foglia di una pianta”. :: Un balzo rivoluzionario potrebbe trasformare l’utilizzo ora solo marginale dell‘energia solare ad una delle principali fonti di energia rinnovabile e non. Così i ricercatori del MIT hanno superato un importante ostacolo nell’utilizzo dell’energia solare:l’immagazzinamento di energia durante l’uso anche quando il sole non brilla. Daniel Nocera ci descriverà il rivoluzionario nuovo processo per immagazzinare l’energia solare.
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:: Fino ad ora l’energia solare è stata un’ottima fonte energetica ma solo per i giorni di sole perché l’immagazzinamento di energia supplementare per suo utilizzo successivo è stata eccessivamente onerosa e gravemente insufficiente. Con l’annuncio fatto ieri dal MITsi è riusciti ad ottenere una raccolta estremamente efficiente e a basso costo di energia solare. Così questa scoperta potrebbe sbloccare la più potente fonte di energia non tossica, abbondante, illimitata e senza emissioni di CO2: il sole.
:: “Questo è il Nirvana di ciò che abbiamo immaginato per anni” ha spiegato Daniel Nocera, professore, ricercatore del MIT e autore del documento che descrive l’esperimento e la ricerca compiuta. “L’utilizzo dell’energia solare è sempre stata limitata e lontana da essere una soluzione -totale-. Ora invece si può seriamente pensare ad un utilizzo dell’energia solare illimitato.”
Quello che ha voluto dimostrare Daniel Nocera è stata una reazione chimica che genera ossigeno dall’acqua come fanno molto piante verdi durante la fotosintesi. Si è raggiunti così un risultato che potrebbe avere profonde implicazioni per l’intera industria energetica mondiale. L’esperimento effettuato con l’ausilio di un catalizzatore ha voluto muovere il primo e più difficile passo nella divisione dell’acqua per produrre facilmente idrogeno.
:: Ma il punto è che questo processo, ritiene Nocera, potrebbe contribuire a superare i principali ostacoli che impediscono un utilizzo efficiente dell’energia solare che questa possa diventare una fonte di energia rinnovabile dominante. L’energia solare ha un potenziale unico per generare grandi quantità di energia pulita non contribuendo al riscaldamento globale.
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:: Ma senza un strumento a basso costo per immagazzinare questa energia, l’energia solare non può sostituire i combustibili fossili su larga scala ed in modo efficiente. Nocera sarebbe riuscito così ad utilizzare la luce del sole per dividere le molecole dell’acqua, per utilizzarla poi sotto forma di combustibile a idrogeno che in seguito potrebbe essere bruciato in un generatore o ricombinato con l’ossigeno in una cella a combustibile. Ancora più ambizioso sarebbe la reazione potesse essere utilizzata per dividere le molecole dell’acqua partendo dall’acqua di mare.
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Sole + Acqua = Idrogeno – Come Funziona il Processo
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Ispirato dal processo di fotosintesi delle piante, Nocera e Matthew Kanan (borsista postdottorato nel laboratorio di Nocera), hanno sviluppato un processo senza precedenti che permetterà all’energia solare di essere utilizzata per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno e ricombinato all’interno di una cella a combustibile, producendo energia elettrica per casa o per auto senza creare emissioni di CO2 sia di giorno che di notte. La componente chiave per Nocera e Kanan del nuovo processo è un catalizzatore che produce ossigeno dall’acqua ed un altro prezioso catalizzatore che estrae idrogeno. Il nuovo catalizzatore consiste in metallo di cobalto, del fosfato ed un elettrodo posti in acqua.
:: Quando l’energia elettrica proveniente da una cella fotovoltaica, da una turbina eolica o da qualsiasi altra fonte di energia, sull’elettrodo si forma un sottile film producendo ossigeno sottoforma di gas. Combinato poi con un altro catalizzatore, come per esempio il platino, in grado di produrre idrogeno dall’acqua, il sistema è in grado di duplicare la divisione degli atomi che compongono la molecola dell’acqua come si verifica durante il processo di fotosintesi.
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:: Immagazzinare l’energia proveniente dal sole simulando un processo che sia simile alla fotosintesi, gli scienziati lo hanno cercato di fare sin dai primi anni 1970. In particolare, essi hanno cercato di replicare il modo in cui le piante verdi riescano ad scindere le molecole dell’acqua. Gli esperimenti riuscirono ma solo utilizzando alte temperature, soluzioni alcaline pericolose, o rare e costose tecnologie come catalizzatori al platino. Il catalizzatore di Nocera invece è economico e utilizza una temperatura ambiente e senza sostanze caustiche, le stesse semplici condizioni riscontrate nelle piante.
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:: Il nuovo catalizzatore funziona a temperatura ambiente e pH dell’acqua neutro; “è facile da controllare”, spiega Nocera. “Per questo nel momento in cui si va ad applicare per far lavorare il processo, è così facile da attuare. E’ un passo gigante per l’energia pulita, la luce del sole infatti è quella che offre il maggiore potenziale rispetto a qualsiasi altra fonte di energia per risolvere i problemi di fabbisogno energetico.
:: 1 ora di sole che colpisce l’intero globo offrirebbe abbastanza luce per ricoprire il fabbisogno di energia del pianeta per un anno. James Barber, leader nello studio della fotosintesi che non è stato coinvolto nella ricerca ammette che “Si tratta di una grande scoperta con enormi implicazione per la futura prosperità di tutta l’umanità.” Ernst Chain, biochimico presso l’Imperial College di Londra “L’importanza della loro scoperta non può essere sopravvalutata, poiché apre la porta per lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di energia, riducendo così la nostra dipendenza dai combustibili fossili e affrontando il problema globale del cambiamento climatico”.
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:: Nocera vede 2 modi per trarre vantaggio dalla sua conquista:
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Desalinizzare l’Acqua di Mare e Produrre Idrogeno
:: In primo luogo, un pannello fotovoltaico convenzionale che cattura la luce del sole per produrre energia elettrica; a sua volta, l’elettricità sarebbe spedita ad un dispositivo chiamato uno “electrolyzer”, che sarebbe il catalizzatori che divide le molecole d’acqua.
:: Sole + Acqua = Idrogeno – Questo è solo l’inizio
:: Ad oggi la tecnologia disponibile per dividere l’acqua e produrre energia elettrica è utilizzata solo a livello industriale ed è molto costosa ma spiega Nocera che è molto fiducioso per lo sviluppo dell’integrazione di tali sistemi agli impianti fotovoltaici. “Questo è solo l’inizio” ha detto Nocera, auspicando che entro 10 anni gli edifici potranno accumulare sempre più energia dal sole e attraverso quella eccedente utilizzarla per produrre idrogeno e così dalle celle a combustibile produrre nuova energia elettrica anche quando il sole non c’è.
:: La foglia artificiale per la produzione di combustibile e la desalinizzazione dell’acqua di mare potrebbe fornire grandiose promesse. Ma per molti scienziati, tali possibilità sembrano impossibili e utopiche. Presto conclude Nocera utilizzando un semplice processo che ci ha insegnato la natura, gli esseri umani potrebbero utilizzare il sole “per produrre combustibili a partire da un bicchiere d’acqua”. Tale idea possiede una tale eleganza che ogni scienziato e ricercatore anche se scettico può apprezzare e soprattutto offrire la speranza che ognuno dovrebbe trovare.
:: Il progetto è parte del MIT Energy Initiative, un programma destinato a contribuire per la trasformazione del sistema energetico globale e per soddisfare le esigenze del futuro di contribuire alla realizzazione di un ponte fra gli odierni sistemi di fabbisogno energetico e quelli futuri. Così il successo di Nocera e del suo laboratorio mostra quanto sia importante lo studio e lo sviluppo delle diverse forme di approvvigionamento energetico come può essere quello solare e quello dell’idrogeno oltre ad un unione di diverse fonti di finanziamento da parte del governo, dalle associazioni e fondazioni filantropiche e dall’industria solare.
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Potrebbe l'aria risolvere la nostra sfida di accumulo dell'energia?
Un futuro energetico che sia basse emissioni di carbonio significa di più che un sacco di pannelli solari e turbine a vento: ci vorrà un sacco di stoccaggio dell'energia come bene. Senza un mezzo affidabile, conveniente e su vasta scala di immagazzinare energia, la potenza intermittente dal sole, dal vento e le fonti di marea solo non sarà in grado di supportare l'infrastruttura che abbiamo oggi. Le batterie sono la scelta più ovvia in primo luogo, ma la tecnologia attuale non è sufficiente . Come Donald Sadoway, un ricercatore leader nel immagazzinaggio di energia e professore al Massachusetts Institute of Technology, ha detto Time rivista, "Abbiamo bisogno di innovazioni radicali, quindi abbiamo bisogno di esperimenti radicali." Le grandi innovazioni a destra, ha detto, "fanno venire i brividi lungo la spina dorsale del mondo del carbonio".
Bloom Energia fatto un grande splash nel 2010 con l'uscita della sua cella a combustibile avanzate, il Bloom Energy Server. Da allora, l'azienda ha iniziato ad offrire stoccaggio della pila a combustibile come un servizio così come un prodotto, ma resta da vedere se il cosiddetto Bloom Box sarà il game-changer la società sostiene che sia.
Quindi, se le batterie e le celle a combustibile non sono ancora pronte su larga scala? Potrebbe essere compresso accumulo di energia con l'aria (CAES) e, in particolare, un tipo di CAES in fase di sviluppo da una società di New Hampshire-based chiamato SustainX.
La tecnologia SustainX ha guadagnato abbastanza interesse sia dal National Science Foundation e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per raccogliere 5,4 milioni dollari in finanziamenti. E, proprio questa settimana, la società ha fissato un altro 14,4 milioni dollari da GE Energy Financial Services e altri investitori. E ha vinto anche il sostegno della generazione globale e azienda di distribuzione AES, Che sta lavorando con SustainX per aiutarla a sviluppare un impianto di dimostrazione su larga scala che potrebbe immagazzinare abbastanza energia per alimentare fino a 1.000 abitazioni.
Mentre CAES è stato usato per più di 100 anni per unità dispacci telegrafici o orologi di potenza, I suoi limiti aver conservato la sua possa essere applicata a una più ampia, la scala più utile. Uno dei problemi è stato a lungo il calore: quando l'aria viene compressa per immagazzinare energia, si riscalda, calore dissipato e che non è ripreso significa spreco di energia e una perdita di efficienza. SustainX sostiene che la sua tecnologia mantiene l'aria a temperatura pressoché costante (isoterma) sia in fase di compressione ed espansione, rendendo più efficiente che altri sistemi. E per via aerea la memorizzazione in standard, cilindri off-the-shelf di gas industriale fuori terra anziché in cupole saline sotterranee, così come al mondo due operazioni esistenti CAES, SustainX afferma che il suo approccio offre il vantaggio supplementare di essere scalabili e trasportabili ovunque energia è necessità di conservazione.
Sembra tutto molto promettenti, anche se - come al solito - la prova dipenderà dal modo in cui la tecnologia svolge su larga scala e commerciale. Tuttavia, considerando i problemi di accumulo di energia convenzionale a base chimica in batterie, le sfide finanziarie che circonda lo stoccaggio di idrogeno a celle a combustibile e dei rischi fisici associati con acqua pompata immagazzinamento di energia, sistemi meccanici basati su aria o di gravità in grado di dimostrare un effettivo potenziale per contribuire a risolvere la griglia di energia su scala enigma di archiviazione.
