A qualcuno piace in polvere, l’idrogeno (grazie al nitruro di boro)

I ricercatori dell’australiana Deakin University ritengono di aver fatto una svolta essenziale per affrontare una delle maggiori barriere che impediscono l’adozione diffusa dell’idrogeno: stoccaggio e trasporto sicuri

L’idrogeno è spesso pubblicizzato come soluzione percorribile e sostenibile in risposta alla crisi creata dai costi dei carburanti fossili, specie del gas naturale. Peraltro trovare un materiale in grado di immagazzinare enormi quantità di questa molecola per l’applicazione pratica rimane una grande sfida.

Finora risposte a questo problema sono state date puntando su varie alternative: in Italia in Val Pusteria GKN Hydrogen lavora allo stoccaggio basandosi su un processo che vede protagonisti gli idruri per mettere l’idrogeno in “pastiglie” conservate in serbatoi a bassa pressione (40 bar), mentre a Hong Kong la startup EAT lavora invece a una soluzione con polvere a base silicio.

Di recente, nel numero del bimestre estivo della rivista scientifica Materials Today, è stata presentato un ulteriore modo per separare, immagazzinare e trasportare enormi quantità di gas in modo sicuro, senza sprechi, identificato in Australia dagli scienziati della Deakin University .

Il nuovo processo, descritto per la prima volta da ricercatori sulle nanotecnologie diretti dal professor Ian Chen all’Institute for Frontier Materials (IFM) ha identificato un “uso più efficiente di combustibili gassosi più puliti come l’idrogeno” che si propone come approccio alternativo per ridurre le emissioni di carbonio e rallentare il cambiamento climatico globale.

I metodi tradizionali di raffinazione del petrolio utilizzano attualmente un processo di “distillazione criogenica” ad alta energia per separare il petrolio greggio nei diversi gas utilizzati dai consumatori, come la benzina o il gas domestico. Questo processo è responsabile di una enorme quota del 15% del consumo energetico mondiale.

Ciò che la ricerca IFM delinea è un modo meccanochimico completamente diverso di separare e immagazzinare i gas, che utilizza una piccola frazione dell’energia e crea zero rifiuti. La svolta è risultata subito così significativa (e innovativa) che il ricercatore-capo Srikanth Mateti ha detto che ha dovuto ripetere l’esperimento 20-30 volte: “siamo rimasti così sorpresi di vedere questo accadere, ma ogni volta che abbiamo continuato a ottenere lo stesso identico risultato è stato un momento-eureka”.

L’ingrediente speciale nel processo è la polvere di nitruro di boro, nota ai chimici come componente di lubrificanti, che è ottimo per assorbire le sostanze perché estremamente piccola, ma con una grande quantità di superficie in grado di effettuare assorbimento.

Inoltre, precisano gli scienziati, la polvere composta di nano-fogli basati sul nitruro di boro può essere riutilizzata più volte per eseguire lo stesso processo di separazione e stoccaggio del gas, a oltranza.

Ha detto Mateti: “non ci sono sprechi, il processo non richiede sostanze chimiche aggressive e non crea sottoprodotti. Il nitruro di boro stesso è classificato come una sostanza chimica di livello 0, qualcosa che è considerato perfettamente sicuro da avere in casa. Ciò significa che è possibile immagazzinare l’idrogeno ovunque e utilizzarlo ogni volta che è necessario”.

Durante il processo, la polvere di nitruro di boro viene immessa in un mulino a biglie, un comune tipo di smerigliatrice contenente piccole sfere di acciaio inossidabile, insieme ai gas che devono essere separati. Mentre la camera ruota a una velocità sempre maggiore, l’attrito delle sfere con la polvere e la parete della camera innescano una speciale reazione meccanochimica con conseguente assorbimento del gas nella polvere.

Uno tra i vari gas presenti viene sempre assorbito nel materiale in polvere più velocemente, separandolo dagli altri e permettendo di rimuoverlo facilmente dal mulino. Questo processo può essere ripetuto in più fasi per separare i gas uno per uno, incluso l’idrogeno.

Il processo di assorbimento del gas di fresatura a sfere consuma 76,8 KJ/s per immagazzinare e separare 1.000 litri di gas, che rappresenta almeno il 90% in meno rispetto all’energia utilizzata nell’attuale processo di separazione ben noto all’industria petrolchimica.

Una volta assorbito in questo materiale, il gas può essere trasportato in modo sicuro e semplice. Quindi, quando è necessario fare uso del gas, la polvere può essere semplicemente riscaldata nel vuoto per rilasciare il gas invariato. Questa scoperta è il culmine di tre decenni di lavoro guidato dal professor Chen e dal suo team e potrebbe aiutare a creare tecnologie di stoccaggio a stato solido per una serie di gas, incluso l’idrogeno.

“L’attuale modo di immagazzinare l’idrogeno è in un serbatoio ad alta pressione, o raffreddando il gas fino alla sua forma liquida. Entrambi richiedono grandi quantità di energia, oltre a processi pericolosi e sostanze chimiche”, ha ricordato il professore australiano. “Mostriamo che esiste un’alternativa meccanochimica, che utilizza la fresatura a sfere per immagazzinare il gas nel nanomateriale a temperatura ambiente. Non richiedendo alta pressione o basse temperature, offrirebbe un modo molto più economico e sicuro per sviluppare cose come veicoli alimentati a idrogeno”.

Con la ricerca che ha dato origine al paper dal titolo “Superb storage and energy saving separation of hydrocarbon gases in boron nitride nanosheets via a mechanochemical process”, il team IFM è stato in grado di testare il processo su piccola scala. Adesso sperano che possa essere scalato fino a un progetto-pilota completo e hanno presentato una domanda di brevetto per il loro processo.

“Abbiamo bisogno di convalidare ulteriormente questo metodo con l’industria, per sviluppare un’applicazione pratica”, ha detto il professor Chen. “Per spostare questo dal laboratorio a una scala industriale più ampia, dobbiamo verificare che questo processo sia economico, più efficiente e più veloce dei metodi tradizionali di separazione e stoccaggio dei gas”.

A suggerire che ci sarà interesse per questo tipo di tecnologia, se passerà il vaglio dell’applicazione su larga scala, c’è il fattore praticità. Se è vero che la polvere peserà più dell’idrogeno in forma gassosa, sarebbe tuttavia molto, molto più facile da trasportare rispetto all’idrogeno in forma gassosa o liquida.

Il tutto indipendentemente dal fatto che per l’uso finale, ad esempio sui veicoli passeggeri o quelli commerciali, sia poi reso disponibile nei serbatoi sotto elevata pressione oppure, in qualche caso più raro (come studia Daimler Truck), in forma liquida.

La startup EAT ha recentemente sottolineato come la prima nave al mondo per il trasporto di idrogeno (la Suiso Frontier, lunga 116 metri) possa trasportare 88,5 tonnellate di idrogeno raffreddato criogenicamente allo stato liquido.

La polvere di idrogeno ottenuta da EAT pesa oltre sette volte di più (non sappiamo invece quanto pesi di più la polvere ottenibile grazie al nitruro di boro) ma occuperà anche molto meno spazio: la stessa quantità di idrogeno può essere effettivamente trasportata in circa 33 container pieni di polvere. Su una nave portacontainer da 10.000 pezzi starebbe 339 volte il carico della Suiso Frontier.