L’idea del matrimonio tra bicarbonato e idrogeno
C’è fermento rinnovato attorno all’idrogeno e in attesa di creare filiere resilienti che ancora mancano c’è chi, come gli scienziati del laboratorio americano PNNL studia le proprietà di un sale comune e abbondante per stoccare la molecola
Attorno all’idrogeno anche nella solitamente letargica Italia lo scenario è ultimamente più vivace: di recente a livello di infrastruttura nientemeno, ma anche nel calendario degli eventi, che si aggiungono gli uni agli altri con una frequenza che in precedenza avveniva solo coi paper sulla materia pubblicati dai laboratori globali.
La settimana scorsa si è svolta l’Hydrogen Experience presso l’Autodromo di Vairano-ASC Automotive Safety Centre, una giornata di approfondimento dedicata all’idrogeno e alle tecnologie collegate promossa da Assogastecnici, l’Associazione di Federchimica che rappresenta le imprese produttrici e distributrici di gas tecnici, speciali e medicinali.
Chi si interessa al settore non mancherà certo il prossimo 6 luglio all’Hydrogen Summit all’Allianz MiCo Milano Convention Center, una giornata dedicata alla tematica dell’idrogeno e alle sue prospettive di sviluppo.
In quella giornata è prevista la presentazione dell’Hydrogen Innovation Report 2023 realizzato dall’Energy Strategy Group del Politecnico di Milano, così come interventi su scenari, prospettive e modelli di business per l’applicazione delle tecnologie dell’idrogeno a cura di ANIMA Confindustria, CRESME ed AiCARR.
In quel rapporto gli autori anticipano la presenza di un approfondimento tecnologico riguardante le principali soluzioni per il trasporto e lo stoccaggio d’idrogeno: sia allo stato “puro” che attraverso hydrogen carrier quali l’ammoniaca e i Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC). Tuttavia i progressi compiuti in quelle direzioni non mancano di criticità: questo spiega perché ci siano ancora intensi studi alternativi.
Non ci sono dubbi sul fatto che sia promettente come vettore di energia rinnovabile l’idrogeno verde, ossia pulito perché prodotto senza far ricorso a combustibili fossili, al contrario di quanto avviene nell’industria chimica convenzionale che lo ricava col reforming di gas naturale.
Dopo tutto l’elemento più abbondante nell’universo è proprio l’idrogeno, che si trova nel 75% di tutta la materia. Inoltre, una molecola di idrogeno ha due atomi accoppiati: due gemelli che sono entrambi non tossici e altamente combustibili. Il potenziale comburente dell’idrogeno lo rende un argomento attraente per i ricercatori sull’energia dei laboratori 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. Una parte rilevante del loro lavoro è legato al consorzio Hydrogen Materials-Advanced Research (HyMARC) da tempo avviato presso il Dipartimento dell’Energia (DOE) degli Stati Uniti.
Un obiettivo della ricerca PNNL riguarda l’ottimizzazione dello stoccaggio dell’idrogeno, un problema complesso di fronte al quale si è arrestata una consistente parte della spinta alla commercializzazione del settore.
Questo perché come sottolineava l’articolo del dipartimento stampa del PNNL, ad oggi non esiste un modo completamente sicuro, economico ed efficiente dal punto di vista energetico per immagazzinare idrogeno su larga scala.
I ricercatori del PNNL sono stati recentemente coautori di un articolo che studia una soluzione di bicarbonato di sodio come mezzo per immagazzinare idrogeno. Lo studio è già stato definito un “hot paper” dalla rivista stessa, Green Chemistry pubblicata dalla Royal Society of Chemistry: Un termine che oggi si riferisce non tanto alle copie vendute quanto ai download e ai molti clic che il suo interesse gli hanno procurato.
I due autori principali del nuovo articolo sono il chimico e borsista del laboratorio Thomas Autrey e il suo collega Oliver Gutiérrez, un esperto nel rendere le reazioni chimiche rapide ed economiche.
“Devi essere un po ‘creativo”, ha dichiarato Autrey, che è divertito da quanto sia comune, economico e delicato il bicarbonato di sodio come potenziale risposta a un grosso problema. “Non tutte le sostanze chimiche saranno efficienti nello stoccaggio dell’idrogeno. Devi lavorare con ciò che Madre Natura ti dà”.
Autrey, Gutiérrez e altri al PNNL vedono lo stoccaggio di energia di lunga durata come la chiave per il futuro dell’idrogeno come vettore di energia rinnovabile. L’attuale tecnologia delle batterie di accumulo (ESS) è infatti progettata per diverse ore di stoccaggio. In una rete di energia rinnovabile, le batterie possono gestire circa l’80% del fabbisogno di stoccaggio.
Ma Autrey sottolinea che “l’ultimo 20% adotterà approcci unici. Vorremo immagazzinare l’energia in eccesso per essere preparati per i Dunkelflaute“. Si tratta di una parola tedesca che descrive condizioni senza abbastanza potenziale di energia solare ed eolica. Durante i periodi bui e senza vento (Dunkelflaute), le reti hanno bisogno di un modo per immagazzinare energia per assai più di alcune ore e non rischiare i blackout.
La capacità di stoccaggio stagionale come questa è una dei fattori di attrazione dell’idrogeno. Così è il fatto che lo stoccaggio dell’idrogeno può avvenire ovunque, ovvero 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 detto Autrey, man mano che i giochi di scala diventano più grandi, l’idrogeno diventa più economico. Sarà più economico acquistare alcuni serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno aggiuntivi piuttosto che acquistare molte batterie.
L’idrogeno verde promette bene come fonte di energia grazie al processo chiamato elettrolisi, con cui scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Nel migliore dei mondi, l’energia per l’elettrolisi proverrebbe da fonti di energia rinnovabile, tra cui solare, eolica e geotermica.
Tuttavia, c’è una sfida ostinata: produrre idrogeno a prezzi più bassi con le rinnovabili: oggi in California idrogeno verde costa circa $25 al chilogrammo. Per affrontare questo, nel 2021 il DOE ha lanciato la sua iniziativa Energy Earthshots, una serie di sei passaggi per supportare la ricerca nella tecnologia dell’energia pulita. Il primo introdotto, l’Hydrogen Shot, è 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 verde, si deve capire come spostarlo e immagazzinarlo, e quali siano i passaggi nei processi che possono far risalire i prezzi. Ma trovare il mezzo ideale per lo stoccaggio dell’idrogeno è stato complicato.
L’idrogeno può essere compresso come gas, oggi la scelta abituale, ma richiede pressioni molto elevate, pressioni i cui valori a suo tempo hanno contribuito a ritardare (anche in Italia) il diffondersi di una infrastruttura di rifornimento per l’uso veicolare.
Un serbatoio di stoccaggio sicuro avrebbe bisogno di pareti di acciaio molto spesso o costosa fibra di carbonio spaziale. L’idrogeno liquido è un supporto di archiviazione collaudato ma richiede di ottenere e mantenere qualcosa di così freddo (-279,4°) che i costi energetici si rivelano significativi.
Ciò che sembra essere più promettente sono le molecole che sono 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 liquefare l’idrogeno. L’utilizzo di tali liquidi come mezzo di stoccaggio ha il vantaggio di mantenere in atto le infrastrutture energetiche esistenti, tra cui oleodotti, camion, treni e navi, ha affermato Gutierrez.
Il comune bicarbonato di sodio potrebbe essere l’inaspettata scorciatoia a raggiungere la soluzione ad un problema complesso. Questo sale modesto ed economico del bicarbonato non è tossico e abbondante sulla Terra. In effetti non esattamente il bicarbonato di sodio che tutti abbiamo visto in cucina o nei nostri bagni.
Il team PNNL sta studiando le proprietà di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno del ciclo bicarbonato-formiato, (il formiato è un sale dell’acido formico, una molecola organica liquida mild e sicura) a lungo studiato a partire da ricerche in Germania rese pubbliche a partire da paper apparsi nel 2011.
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. Questa reazione produce idrogeno e bicarbonati, quel “bicarbonato di sodio” che ad Autrey e colleghi piace moltissimo per la sua assenza di impatti ambientali.
Con adeguate e lievi modifiche alla pressione, il ciclo bicarbonato-formiato può essere invertito. Ciò fornisce di fatto un interruttore per una soluzione acquosa che può alternativamente immagazzinare o rilasciare idrogeno.
Prima del bicarbonato di sodio, il team di stoccaggio dell’idrogeno PNNL aveva indagato l’etanolo come vettore di idrogeno organico liquido, il termine generale di settore per indicare il mezzo 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 all’attività di PNNL, EERE ha concesso alla OCOchem di Richland (nello stato di Washington) un finanziamento di $2,5 milioni in due anni per sviluppare un processo elettrochimico che produce formiato e acido formico dall’anidride carbonica.
Tale processo legherebbe l’anidride carbonica con l’idrogeno situato nell’iconico legame chimico dell’acqua. In una collaborazione tecnica e industriale ai suoi esordi, PNNL svilupperà modi per rilasciare idrogeno dai prodotti OCOchem.
Nel mondo della ricerca sullo stoccaggio dell’idrogeno, il ciclo bicarbonato-formiato ha creato interesse da diverso tempo. Dopo tutto, si basa su materiali abbondanti, non infiammabili e non tossici. Il ciclo è costruito su una soluzione di stoccaggio acquosa così blanda che sembra acqua, hanno sottolineato i ricercatori. “Ci puoi spegnere un incendio…”, hanno commentato.
Ma affinché i sali di formiato-bicarbonato diventino un mezzo praticabile per immagazzinare energia idrogenata, 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.
In modo ancora più fondamentale, 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 praticabile ha un basso livello di traducibilità commerciale (o in linguaggio più tecnico: “a basso TRL”). Ma ha commentato Autrey: “Se risolviamo i problemi di catalisi, potremmo ottenere un reale interesse”.
Tra i lati positivi, le soluzioni saline in esame al PNNL rilasciano idrogeno dopo reazione con acqua. Funzionano anche a temperature moderate e basse pressioni. In teoria, almeno, come Autrey e Gutiérrez descrivono nel loro recente paper, 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 uno studio del 2023 chiama “diverse sfide scientifiche urgenti”. Tra questi ci sono come realizzare un mezzo di stoccaggio dell’idrogeno dall’anidride carbonica in eccesso catturata. E persino di utilizzare lo stesso mezzo per immagazzinare elettroni, che suggerisce progressi per le celle a combustibile.
Inoltre, il lavoro del PNNL potrebbe fornire informazioni per la catalisi nella fase acquosa. Per ora, il team sta usando il palladio come catalizzatore candidato. I loro sforzi includono la ricerca di modi per rendere il metallo raro più stabile, riutilizzabile e più longevo.
Nel complesso, l’idea del bicarbonato di sodio “è questa cosa incredibile e brillante” per lo stoccaggio dell’idrogeno, ha detto Autrey. “Ciò che è eccitante sono le possibilità”.
