L’idrogeno a bassa tensione è una sfida verso cui tendere

2596104771_e8b73dd799_oTECNOLOGIA – Che scoperta mai sarebbe la produzione di idrogeno a partire da una pila? È un esperimento che chiunque potrebbe fare a casa propria con una pila, ripescando le spiegazioni del professore di chimica delle scuole superiori.

Eppure la scoperta della Stanford non è così banale, perché aggiunge un tassello agli studi che numerosi istituti di ricerca stanno facendo proprio in questi anni, ossia il tentativo di abbassare il consumo energetico dell’elettrolisi dell’acqua riducendo la tensione.

Usare una pila mini-stilo in un sistema piuttosto elementare è solo uno stratagemma per dire che l’elettrolisi può avvenire con sistemi che lavorano a basso voltaggio riducendo il consumo energetico. “La forza del sistema messo a punto dalla Stanford University sta nel produrre l’elettrolisi dell’acqua a basso voltaggio e in ambiente basico, cosa che evita il ricorso a materiali preziosi per la realizzazione degli elettrodi“, ha spiegato Alessandro Lavacchi, ricercatore presso il ICCOM CNR.

Il ricercatore italiano, insieme a Francesco Vizza, è stato a sua volta protagonista di uno studio pubblicato quest’anno su Nature Communication in cui con il gruppo di ricerca dell’ICCOM hanno realizzato elettrodi capaci di effettuare l’elettrolisi a basso voltaggio (addirittura 0,6 – 0,8 V), usando come espediente una soluzione di alcoli al posto della semplice acqua. Così il gruppo italiano ha ridotto il consumo di energia elettrica a 18,5 kWh per la produzione di 1 kg di idrogeno, rispetto ai 45 KWh per 1 kg di idrogeno generato da sola acqua.

 La produzione annua globale di idrogeno è ad oggi superiore ai 44 milioni di tonnellate, buona parte dei quali destinati alla sintesi dell’ammoniaca mediante il processo Bosh-Haber per la produzione di fertilizzanti azotati. Con le tecnologie odierne, l’idrogeno viene prodotto per il 96% con processi che impiegano risorse fossili. All’elettrolisi dell’acqua viene affidata solo un 4% della produzione, che ha comunque una valenza commerciale. Come ha spiegato Lavacchi, “l’interesse verso la tecnologia dell’elettrolisi dell’acqua è cresciuto in questi ultimi tempi: infatti potrebbe essere realizzata tramite le energie alternative, cioè pulite. Al contrario le più tradizionali tecnologie che impiegano risorse fossili, tra cui è dominante il reforming degli idrocarburi, sono inquinanti perché portano alla generazione di oltre dieci kg di anidride carbonica per ogni kg di idrogeno prodotto. Al fine di ridurre l’impatto ambientale di queste tecnologie occorre sviluppare processi per il sequestro della anidride carbonica prodotta, che sono costosi sia in termini economici che energetici. Inoltre”, ha continuato Lavacchi, “l’idrogeno derivato dalle fonti alternative potrebbe essere un valido sistema per immagazzinare l’energia da fonti intermittenti, quali ad esempio il sole o il vento”.

Oggigiorno gran parte della tecnologia a elettrolisi è di tipo alcalino, e quindi non è così costosa perché non usa metalli pregiati. Tuttavia i sistemi attuali non sono così efficienti come quello sperimentato a Stanford, perché lavorano a una tensione di 2 V e non di 1,5 V.
In questo senso è molto più efficiente l’elettrolisi a membrana che lavora a basso voltaggio (1,6-1,8 V) , ma che ha poi lo svantaggio di servirsi di elettrodi preziosi.
L’esperimento di Stanford coniuga il basso voltaggio ai materiali poco preziosi e abbondanti: “i nanotubi oggi sono già prodotti in modo consistente, e in un prossimo futuro potrebbero rientrare in una produzione industriale e quindi a costi limitati”, ha commentato Lavacchi.

Nei laboratori di Stanford dunque hanno messo a punto un modello di elettrolizzatore da laboratorio. Il modello non è certo in grado di produrre idrogeno a livello industriale perché è troppo bassa la potenza fornita da una pila. Dopo le opportune verifiche e i dovuti aggiustamenti che sono necessari per realizzare un impianto su scala industriale, potrebbe essere possibile coniugare gli elettrodi appena presentati nel paper di Ming Gong per produrre idrogeno a basso costo energetico ed impatto zero, sfruttando fonti rinnovabili.

Crediti immagine: Razor512, Flickr

Informazioni su Giulia Annovi ()
Data-journalist and science writer

8 Commenti su L’idrogeno a bassa tensione è una sfida verso cui tendere

  1. Quando si discute di elettrolisi dell’acqua bisogna pensare alla produzione contemporanea di H-H ed O=O ovvero idrogeno ed ossigeno nel rapporto molecolare 2/1. La teoria dice che sono necessari 1,2 Volt per effettuare l’elettrolisi , tuttavia poichè entra in gioco la sovratensione cioè la velocità con la quale i gas formati si sviluppano agli elettrodi (che dipende da tanti fattori, rugosità della superficie dell’elettrodo, pH, tipo di elettrodo, fenomeni di polarizzazione di concentrazione ecc) bisogna in genere considerare un valore di tensione in più da 0,3 a 0.8 volt. per cui il voltaggio reale potrebbe essere circa 1,5; 2,0 Volt. Quindi l’articolo che discute di tale fenomeno non aggiunge niente di nuovo a ciò che si sapeva. Molto più intressante invece l’articolo del prof. Vizza che intanto esegue l’elettrolisi di soluzioni alcoliche dervate da fermentazione batterica di materiali organici e che fornisce dall’elettrolisi H-H ed composti organici utili come acido lattico ed altri (NON SI FORMA OSSIGENO). Tale elettrolisi avviene a circa 0,7 volt usando elettrodi nano TiO2/Pd come Anodo e Pt(C) come Catodo. Cosa dire pertanto, dico che è meglio continuare la strada italiana con l’intento di trovare CATODI poco costosi certamente SENZA PLATINO e che il processo possa essere usato anche a livello industriale. Credo che l’dea sia estrosa e vincente ma bisogna avere coraggio.

  2. @Nicola Spanò
    Credo che l’dea sia estrosa e vincente ma bisogna avere coraggio.

    Ad un primo sguardo mi sembrerebbe che ci sia qualcosa che non va nel lavoro di Rizza. Mi riprometto di leggerlo per intero, ma intanto vorrei far notare che il potere calorifico inferiore dell’idrogeno è pari a 120 MJ/kg. Questo numero trasportato in kWh fa circa 34 kWh per kg.
    Loro sostengono di poter ottenere 1 kg di idrogeno con 18,5 kWh, per cui si possono fare tre ipotesi (in ordine di probabilità decrescente):

    1) Ho sbagliato i conti o non ho capito qualcosa (molto probabile).
    2) Hanno sbagliato loro i conti o le misure (meno probabile ma possibile).
    3) L’Italia sta per diventare un paese molto ricco essendo in grado di produrre energia dal nulla (Assai poco probabile, ma lo stellone azzurro…).

    Se qualcuno mi aiuta leggendo pure lui il lavoro cerchiamo di dipanare la matassa. In fondo la pubblicazione è avvenuta su Nature Communications e merita ogni rispetto.
    Certo il DoE pone come obiettivo di scendere da 45 a 43 kWh/kg entro il 2020.

  3. mauro marchionni // 3 settembre 2014 alle 8:39 // Rispondi

    una domanda per Nicola
    non sono esperto di elettrochimica ma mi convince poco il discorso che si può passare da 45 kwh/kg a 18.5 kwh/kg.
    mi sai spiegare, ammesso che sia tutto vero, le ragioni teoriche di questo enorme salto energetico?
    grazie

  4. @mauro marchionni
    non sono esperto di elettrochimica ma mi convince poco il discorso che si può passare da 45 kwh/kg a 18.5 kwh/kg.

    Difatti non ci si passa. Letto il lavoro originale (ben scritto) e non l’abstract il tutto si fa chiarissimo. Però le affermazioni sono un po’ trionfalistiche e fuorvianti ed è difficile percepire i benefici ottenuti.

    45 kWh/kg è quello che serve, praticamente (in teoria ne basterebbe meno di energia), per recuperare l’idrogeno dall’acqua. Loro, invece, tolgono l’idrogeno dall’etanolo e per fare questo spendono (stimano di spendere) 66,6 MJ/kg (18,5 kWh/kg, uso le unità SI con cui mi trovo più a mio agio). Se poi si brucia l’idrogeno si ottiene acqua e 120 MJ/kg.

    E’ tutto lecito, non c’è nessuna violazione della termodinamica, perché qualcuno (il sole) ha messo l’idrogeno nell’etanolo dove è meno legato che nell’acqua e quindi costa meno in termini energetici estrarlo: non è chiaro dal lavoro quale sia il guadagno effettivo rispetto all’elettrolisi dell’etanolo con elettrodi normali. L’unico accenno è che in quest’ultimo caso si ottengono densità di corrente inferiori a 1A / cm2 mentre loro riescono a ottenere fino a 2 A / cm2 il che rende il processo conveniente.

    Comunque, per produrre l’etanolo e la soda caustica si spende un po’ di energia, per cui il guadagno effettivo è inferiore a 50 MJ/kg. Servono poi 11,4 kg di etanolo per distillare 1 kg di idrogeno: se li bruciassimo direttamente otterremmo 308 MJ, sei volte più energia che con tutto il procedimento messo a punto.

    L’obiezione che mi aspetterei è che bruciando direttamente l’etanolo si genera CO2: la contro-obiezione è che mettere pannelli fotovoltaici o generatori eolici al posto della canna da zucchero e fare l’elettrolisi dell’acqua a 45 kWh/kg forse è globalmente più vantaggioso.

    Le vie dell’energia a buon mercato sono molto perverse; occorre stare molto attenti. Dietro i pannelli PV, ad esempio, non crescono più i pomodori.

  5. Uno dei punti del lavoro è che è molto più facile ossidare l’etanolo rispetto all’ossigeno dell’acqua. In questo sistema l’etanolo è ossidato ad acetato producendo 4 elettroni che contribuiscono a generare 2 molecole di H2.

    La reazione complessiva in gioco è dunque la seguente
    CH3CH2OH + OH- =>2H2+CH3COO-

    Nell’elettrolisi di acqua la reazione è invece:

    2H2O =>2H2 + O2

    In quest’ultima si verifica l’ossidazione dell’ossigeno, un processo chimico che richiede, in accordo alla termodinamica molta più energia di quanta non ne sia richiesta dall’ossidazione dell’etanolo ad acetato.

    Questo è il trucco che rende possibile generare idrogeno con i consumi energetici riportati.

  6. Abbastanza correttamente la risposta la da Alessandro. Infatti la redox per l’Idrogeno ha 0 Volt la redox per l’ossigeno ha 1,2 Volt, ma la redox per l’acetato è 0,56 Volt. Pertanto teoricamente l’elettrolisi dell’acqua normale sia a pH acido che basico (semplificando) è in condizioni normali praticamente 1,2 Volt.
    Ma l’elettrolisi di soluzioni miscelate acqua/alcol è in teoria circa 0,6Volt. I ricercatori ottengono 0,7 Volt e ciò è sperimentalmente accettabile. Se fai i conti con 0,7 Volt ottieni la potenza dei 18,5Kwh/Kg.
    Tuttavia ritornando al discorso iniziale , ricordiamo che questi ricercatori usano speciali Catodi di Pt/C (costosissimi) ed anodi di nuova generazione (nanotecnologici Pd/TiO2) abbastanza costosi. Se il costo degli elettrodi è eccessivo il gioco non vale la candela. Tuttavia a livello industriale l’elettrolisi non verrà fatta sicuramente su miscele pulite e perfette Acqua/Alcol ma su miscugli derivati da processi fermentativi dove oltre all’alcol si trova tutto e di più, Perciò non credo si possano usare elettrodi delicati Pt/C e nano strutture Pd/TiO2 per fare sviluppare idrogeno e composti organici con numero di ossidazione del carbonio maggiore che nell’alcol. Qui entra in gioco l’ingegno chimico.

  7. Purtroppo, quando si parla di energia, di cui siamo affamati, le esposizioni dei lavori si fanno trionfalistiche, il più delle volte troppo, e i due lavori precedenti ne sono un esempio. Deve trattarsi una sorta di virus che pur in presenza di ottimi risultati induce a presentarli non in maniera asetticamente scientifica ma con toni fuorvianti per i non addetti ai lavori. Così mentre Alessandro Lavacchi spiega sopra, in maniera puntuale, il reale significato del lavoro di Stanford, nel lettore medio si ingenera l’impressione che si sia in presenza di un miracolo per cui una singola pila alcalina può darci idrogeno in abbondanza, mentre nessuno crederebbe mai che si possa andare fuori porta con la Panda alimentata da una stilo AA. Ovviamente per l’elettrolisi a bassa tensione, in questo lavoro, siamo nelle stesse condizioni: una pila rende qualche frazione di grammo di idrogeno, ma intanto il petardo è stato lanciato nel cielo della scienza. Sorprende che i revisori di Nature Communications non trovino nulla da obiettare.

  8. bisogna cercare altre strade,come l’aria,x accelerare anche pres d’aria in movimento
    la corsa della Ferrari sotto l’acqua,ha trovato le camere di soppio lucide e anche i pistoni erano lucidi.Riverisco

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