4.1   L'ENERGIA NATURALE E GLI OCEANI




IDROGENO E BLUE&GREEN ENERGY

Sommario: Si riporta uno stato dell’arte delle metodologie per l’estrazione dell’idrogeno da materiali che lo contengono come componente. Molte tecnologie consumano grandi quantità di energia per ottenere dell’idrogeno ad esempio dall'acqua o dal metano e non sono del tutto pulite. Si propongono poi molte tecnologie “verdi” come il riuso delle acque reflue con le acque marine e di nuove ed esaltanti tecnologie innovative nel campo della microbiologia, dei nano tubi, della batteriologia e della conversione enzimatica per la formazione di elementi per fuel-cells senza emissioni e senza uso di energia fossile. Appare chiaro che l’idrogeno sia ormai un orizzonte energetico molto luminoso per il futuro del Genere Umano soprattutto se si utilizzano anche le fonti energetiche Blue&Green per l’energia necessaria per le trasformazioni anche biologiche di base. Gli argomenti trattati sono nei seguenti paragrafi:

 

1. IDROGENO E FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE

2. TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DELL’IDROGENO

a) Energia pulita dalla elettrolisi dell’acqua

b) Steam methane reforming SMR

c) CSP e Dighe

d) winds & seas

e) Tecnologie biologiche e di Conversione enzimatica

f) Nano Reattori

g) Idrogeno dalle acque reflue

3. IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO NANOTUBI IN CARBONIO

4. CONCLUSIONI

1. IDROGENO E FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE

L’energia estratta da fonti rinnovabili Blue&Green (come: Ocean, Solar, Wind, Biochem, OTEC, Water …) pone le sue radici proprio nella Natura e nei suoi Elementi modalità di offrire l’elemento fondamentale per l’esistenza dell’Uomo: l’energia. Anche se gli eventi climatici globali dipendono da eventi cosmici al di sopra delle volontà dell’uomo, la tecnologia umana riesce a captare una piccolissima parte della immensa Energia emanata dal Sole. E riesce a ordinare ciò che per natura è convulso ed anche molto variabile e mai quantificabile preventivamente in modo esatto.

Le intrinseche caratteristiche delle Fonti Rinnovabili Blue&Green e le umane interessate considerazioni statistiche ed economiche, fanno apparire tutto enormemente difficile e troppo costoso rispetto alle certezze ed ai costi molto contenuti dell'energia fossile, spesso estratta solo da fonti conosciute e spesso ubicate a casa di altri.

Dietro l’incertezza degli eventi atmosferici e la difficoltà di quantificarli, si trincerano gli interessi peculiari in difesa del non rinnovabile, detto "fossile". Il fossile è legato alla storia cosmogonica del Pianeta "Terra". Il Rinnovabile è legato al "Sole" che il primus movens di tutte le Energie del suo Sistema Planetario, "terra" compresa. La differenza è palese anche nelle due dimensioni cosmiche richiamate: limitate per la terra ed infinite per il sole. Proprio un elemento costitutivo del Sole e del suo Calore-Energia può infondere speranza nel futuro dell’uomo e dell'energia a lui necessaria: l'idrogeno piccola particella del Grande Progetto della Vita.

L’Idrogeno molecolare H2 è un gas molto infiammabile, inodore ed incolore, composto da due atomi di idrogeno ed è un ottimo combustibile ma è molto raro sulla Terra. Invece sulla Terra l’idrogeno atomico H è abbondante, ma principalmente solo come costituente di un composto come l'acqua o il metano: H2O o CH4. La forma molecolare H2 dell'idrogeno può essere ottenuta in processi chimici con alte temperature. Ma è proprio questa forma di idrogeno che interessa l’uomo perché riesce a contenere energia e fornirla a richiesta.

Da due molecole d’acqua H2O si possono ottenere 2 molecole di idrogeno H2 e una di ossigeno O2. Dal processo che parte dal metano CH4 si ottiene gas idrogeno H2 ma, purtroppo, anche anidride carbonica. Comunque per ambedue le trasformazioni chimiche occorre fornire l’energia necessaria per ottenere gas idrogeno.

Una ulteriore quantità di energia serve per comprimerlo e stoccarlo, renderlo trasportabile e disponibile come fuel cell "vettore energetico". Un grande vantaggio si ha soprattutto se si consente di attivare in modo efficiente il potenziale rinnovabile di impianti del tipo Blue &Green con emissioni nulle.

La popolazione mondiale è in crescita esponenziale e previsioni prudenti affermano che entro il 2050 sarà 12 miliardi, circa il doppio di oggi e l’idrogeno, come vettore energetico, rappresenta una valida alternativa ai combustibili fossili non rinnovabili.

Lo stato dell’arte del vettore idrogeno è sufficiente per essere propositivo per l’autonomia energetica del FBB di STEP 3000.

Energia utilizzabile al netto di produzione, trasporto e stoccaggio partendo da elettricità rinnovabile.

By Proceedings of the IEEE | Vol. 94, No. 10.

2. TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DELL’IDROGENO

Attualmente nel mondo si producono circa 50 milioni di tonnellate di H2 e la maggior parte origina da fossili e principalmente come co-prodotto dell’industria chimica. L‘idrogeno H2 è disponibile in natura allo stato libero solo in quantità molto ridotta e per essere prodotto si deve partire da altri composti e con processi che consumano moltaenergia.

Si sintetizzano alcune delle principali tecnologie di produzione del gas idrogeno.

a. Elettrolisi dell’acqua

L’elettrolisi dell’acqua fornisce gas idrogeno, ma per strappare gli atomi di H dalla molecola di acqua H2O, serve energia che può provenire da combinazione di varie fonti energetiche e nel nostro caso ottimamente da impianti anche misti del tipo Blue &Green.

L'elettrolisi è una trasformazione chimica che consuma energia elettrica per la conversione in energia chimica. La cella elettrolitica è composta da due elettrodi di un metallo inerte immersi in una soluzione elettrolitica e connessi ad una sorgente di corrente.

Schema del processo elettrolitico dell’H2

CATODO 2H2O+2e- → H2 +2OH+ || ANODO 2OH+ → ½O2 + H2O+2e

Sottoponendo ad una certa tensione elettrica una soluzione basica o acida si può decomporre l’acqua nei suoi costituenti (O2 e H2).

A temperature tra i 850 ed i 1000 °C si accelerano le reazioni, si riducono le perdite d‘energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi e si accresce l‘efficienza complessiva. Con l’ossidazione dell’idrogeno si produce una quantità di energia, quasi tre volte superiore ai combustibili fossili.


b. Steam methane reforming SMR

Lo steam methane reforming è un processo con la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori e temperatura di 800 °C 1000°C ed una pressione di 2,5 MPa: CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2.

la grande quantità di energia richiesta per il funzionamento degli impianti fissa il rendimento del processo a circa 65%.

Ma SMR è processo che prevede impiego di materiali non rinnovabili.


c. CSP e Dighe

L’energia solare a concentrazione (CSP) con produzione di calore ad alta temperatura (550 °C) consente la produzione di energia elettrica per le applicazioni industriali correnti. L’energia solare può essere raccolta, accumulata e trasferita su richiesta nella forma più opportuna, ad esempio come vapore grazie ad uno scambiatore di calore.

L’unica energia rinnovabile che ha avuto una diffusione estesa è stata quella idroelettrica che è rinnovabile e pulita: ciò è dovuto alla presenza del sistema bacino/sbarramento che è in grado di compensare le fluttuazioni dovute alla variabilità delle precipitazioni.


d. Winds & Seas

Il vento consiste nel movimento di grandi masse d’aria causato dagli squilibri di pressione nella troposfera. Gli squilibri sono originati dal differente riscaldamento delle terre emerse rispetto alle masse d’acqua e si crea così quella che si chiama cella convettiva dentro cui si realizza un moto ciclico dell’aria.

Esistono numerose tipologie di turbine Brevettate o all'attenzione dei Team di R&D per l’Innovazione. Come esempi di Turbine si citano:

Horizontal Axis Turbine HAT con asse di rotazione orizzontale parallelo alla direzione delle correnti; Vertical Axis Turbine VAT con asse di rotazione verticale.

Tutti i sistemi inventati devono superare dei problemi tecnici legati alle dimensioni e alle efficienze e per superarli i Ricercatori si indirizzano verso i sistemi ibridi Winds – Seas – Hydrogen. Con questi ibridi l'Energia rinnovabile Blue&Green viene convogliata in un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno che viene poi immagazzinato o utilizzato direttamente.

Schema di un impianto per produzione di idrogeno da Green&Blue Energy

L’energia di rotazione dell’albero può essere utilizzata direttamente come energia meccanica oppure può essere convertita in energia elettrica mediante un generatore elettrico. Una turbina può anche essere l’unico componente di un sistema di trasformazione energetica autosufficiente, come deve essere una mini turbina carica-batterie da una stazione meteo per la raccolta di dati. Gli impianti miniwinds o miniwaves sono ottimi se a servizio di sistemi isolati.


e. Tecnologie biologiche e di Conversione enzimatica

I processi foto-biologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi biologici, che usano generalmente la luce solare. Alcune alghe e alcuni batteri sono in grado di generare idrogeno sotto specifiche condizioni. I loro pigmenti assorbono energia solare, gli enzimi nella cellula si attivano come catalizzatori e scindono l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno.

La R&D è incentrata principalmente su due direttive: i sistemi "whole-cell" che coinvolgono i batteri con efficienza di conversione in idrogeno inferiore al 10%; i sistemi "cell-free" utilizzano solo gli enzimi che producono l'idrogeno e con efficienza superiore al 22%.

E’ in avanzata fase sperimentale una delle tecnologie di produzione dell'idrogeno è basata sui metodi di conversione enzimatica del glucosio e di altri zuccheri tramite l'azione di due enzimi scientificamente denominati "Thermoplasma Acidophilum ed il Pyrococcus Furiosus".


f. Nano Reattori

E' stato creato un biomateriale che catalizza la formazione di idrogeno con la stessa efficienza del platino catalizzatore.

I Ricercatori di Indiana University hanno messo a punto un progetto di ingegneria genetica creando un OGM e nuovo "biomateriale" in grado di accelerare l’elettrolisi delle molecole d’acqua, ossia la scissione in ossigeno e idrogeno gassosi.

"Mischiando" DNA di batteri comuni a strutture di virus infatti si possono ottenere dei nano-reattori, capaci di auto assemblarsi e di rendere economica ed ecocompatibile la produzione di combustibili rinnovabili.

Per ottenere questo catalizzatore si devono inserire due geni del batterio Escherichia coli all'interno del capside di un virus. Questi nano-reattori sono delle idrogenasi, ossia enzimi batterici che catalizzano l’ossidazione reversibile della molecola di idrogeno. Spiegano gli Scienziati "…la capacità di un virus di auto-assemblare le sue componenti genetiche… con incorporato un enzima … che ha la notevole proprietà di catturare i protoni H+ (generati dalla corrente elettrica in acqua) e rilasciare gas idrogeno…Il risultato finale è una particella simile a un virus che si comporta come un reattore sofisticato, catalizzando la produzione di idrogeno".

Questo innovativo biomateriale risulta essere più efficiente dell'idrogenasi naturalmente prodotta da batteri. Inoltre è più ecologico e meno costoso rispetto altri materiali utilizzati per creare le innovative fuel cells, celle di combustibile.

"…Non c’è bisogno di estrarlo, è possibile crearlo a temperatura ambiente ed è biodegradabile…".

Hydrogen Fuel cells. Si formano elettricità ed acqua alla presenza di un electrolyte compreso da due

strati di catalyst, tra anode e cathode e tra flussi più esterni di hydrogen e oxigen

Schemi di Solar Energy e Sistemi di produzione di Hydrogen


g. Idrogeno dalle acque reflue

Le celle microbiche di elettrolisi necessitano di pochi grammi di sale per essere in grado di produrre idrogeno dalle acque di scarico o da sottoprodotti organici, senza scaricare anidride carbonica in atmosfera e senza bisogno di utilizzare elettricità.

Logan della Penn State University propone la sua invenzione può produrre idrogeno ovunque vi sia acqua di mare vicina ad acque reflue e tramite un processo completamente carbon neutral. Così sarebbe una fonte inesauribile di energia pulita e con efficienza oltre il 60%.

Le "celle batteriche" possono produrre da 0,7 a 1,5 metri cubi di idrogeno per ogni metro cubo di liquido che attraversa la cella. La chiave è l'elettrolisi che estrae energia dalla differenza ionica tra acqua salata e acqua dolce. In questo processo il costosissimo platino usato come catalizzatore può essere sostituito dal solfuro di molibdeno, assicurando il 50% di efficienza energetica.


3. IMMAGAZZINAMENTO DI IDROGENO E NANOTUBI

I metodi di ultima generazione per veicolare l'idrogeno sono basati sulle nanotecnologie che utilizzano vari tipi di microsferule di carbonio-60.

Già nel 1985 il chimico americano Smalley ha scoperto che gli atomi di carbonio si possono collegare e si legano tra loro a formare i "fullereni", strutture molecolari ordinate e di forma sferica.

Nell’accrescimento la struttura tende ad arrotolarsi su se stessa, assumendo una particolare forma cilindrica con diametri di nm e lunghezze di 10÷100 μm: il nanotubo. Le molecole gassose di idrogeno vengono catturate nei micropori presenti sulla superficie del carbonio e rimangono intrappolate nelle microcavità del materiale e da cui possono essere estratte aumentando la temperatura del materiale. Per i problemi di accumulo e trasporto dell’idrogeno una soluzione è Hydrostore dell’Enea R&D. Elemento centrale di queste tecnologie innovative è l’utilizzo di materiali assorbitori rappresentati da idruri metallici, materiali solidi con notevoli vantaggi in termini di sicurezza. Si vogliono ottimizzare i prototipi di sistemi di produzione dell’idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua e mediante uso di fonti rinnovabili. Per lo stoccaggio dell’idrogeno sono in fase sperimentale serbatoi speciali.

I Ricercatori del Naval Research Laboratory NRL statunitense stanno mettendo a punto un carburante dall'acqua di mare, formando idrocarburi insaturi a catena lunga e metano. Questa scoperta consentirebbe alle navi militari di rimanere in mare per un periodo di tempo più lungo evitando il rifornimento, operazione delicata soprattutto in caso di maltempo. Il processo chimico inventato da NRL principia con l’estrazione di anidride carbonica e idrogeno dall'acqua di mare grazie al passaggio forzato attraverso una cella elettrificata E-CEM. I prodotti finali sono idrogeno e anidride carbonica: l’idrossido di sodio viene ricollocato nell'acqua di mare. Successivamente in una camera di reazione riscaldata e alla presenza di un catalizzatore i gas interagiscono fra loro formando idrocarburi insaturi a catena lunga e metano. Gli idrocarburi insaturi sono trasformati in molecole da sei a nove atomi di carbonio e quindi convertite in carburante attraverso un catalizzatore al nichel. Ma gli idrocarburi insaturi rimangono nella non-green energy, per la cui produzione si usa altra energia ed anche metalli pesanti.

4. CONCLUSIONI

Le tecnologie esposte danno un quadro esauriente dello stato dell’arte delle possibilità di avere a disposizione del gas idrogeno. Le sue caratteristiche peculiari impongono l’uso di energia per la produzione e per lo stoccaggio che ne renda possibile il trasporto e l’uso. Ma geniali tecniche innovative che spaziano anche nel campo della microbiologia danno nuovi indirizzi che tendono ad azzerare le emissioni e limitare l’uso del fossile qualora necessaria come elemento catalizzatore. Ne emerge la possibilità di poter usare l’idrogeno come vettore energetico che può facilmente essere trasformato in energia elettrica. La STEP 3000 ha individuato in tale tecnologia un sistema per fare raggiungere alla FFS la sua completa autonomia anche per l’aspetto energetico e fare raggiungere l’autosostentamento per tutte le attività. Con una particolare predilezione per l’uso della NanoTechnology e della Marine Biology.

STEP 3000 

Modulo di Contatto