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L'idrogeno rappresenta un'opzione promettente per un'energia potente e pulita.
Scienziati e ingegneri di tutto il paese celebrano la Giornata nazionale dell'idrogeno e delle celle a combustibile ogni 8 ottobre, una data opportunamente scelta per il peso atomico dell'idrogeno (1.008).
Il combustibile a idrogeno svolgerà un ruolo nella promozione di un ambiente più pulito e nella riduzione dell'uso di combustibili fossili in molti settori. Ad esempio, le celle a combustibile a idrogeno sono interessanti come fonti di alimentazione alternative per veicoli, edifici e altre applicazioni grazie ai tempi di rifornimento rapidi, all'elevata efficienza, all'elevata densità di energia e alla mancanza di emissioni nocive o sottoprodotti.
Ma prima che l'idrogeno possa raggiungere il suo pieno potenziale, deve essere meno costoso e più facile da produrre.
Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno lavorando per migliorare le prestazioni e ridurre i costi delle tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile, con soluzioni di ricerca e sviluppo dalla scala atomica a quella commerciale.
Nell'ambito della celebrazione nazionale, rispondono alle domande più comuni sull'idrogeno come vettore energetico.
Da dove viene l'idrogeno?
L'idrogeno è l'elemento chimico più semplice, costituito da un solo protone e un elettrone. È anche l'elemento più abbondante nell'universo, costituendo circa il 75% di tutta la materia normale. La molecola di idrogeno (due atomi di idrogeno messi insieme) contiene una notevole quantità di energia.
Esistono grandi quantità di idrogeno nell'acqua e negli esseri viventi, ma le molecole di idrogeno in genere non si trovano da sole sulla Terra. Qui, l'idrogeno di solito deve essere prodotto da altre sostanze che lo contengono. Gli scienziati attualmente utilizzano una varietà di metodi per questo. Uno dei principali approcci attuali alla produzione di idrogeno senza l'uso di combustibili fossili è quello di scindere l'acqua utilizzando l'energia nucleare o fonti di energia rinnovabile, come l'energia eolica, solare, geotermica e idroelettrica.
Gli scienziati stanno inoltre sviluppando processi più efficienti per supportare la futura produzione di combustibile a idrogeno. Un possibile approccio consiste nel produrre idrogeno dalla biomassa, come batteri e alghe, sfruttando e imitando processi biologici come la fotosintesi.
Cos'è una cella a combustibile a idrogeno?
Le celle a combustibile a idrogeno convertono l'energia chimica immagazzinata nell'idrogeno e nell'ossigeno gassoso in elettricità. A differenza dei motori a combustione alimentati a benzina, non ci sono anidride carbonica o altre emissioni nocive. L'unico scarico è il calore e l'acqua. E a differenza delle batterie, le celle a combustibile non richiedono lunghe ricariche.
All'interno della cellula, le molecole di idrogeno sono divise in protoni ed elettroni. Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito, creando una fornitura di elettricità utilizzabile. Allo stesso tempo, i protoni si combinano con gli elettroni e le molecole di ossigeno dell'aria circostante per produrre acqua e calore, le uniche emissioni.
Come si possono utilizzare le celle a combustibile a idrogeno?
Le tecnologie del combustibile a idrogeno potrebbero essere applicate in molti settori dell'economia. Le celle a combustibile a idrogeno possono fornire energia per i trasporti, costruire infrastrutture, accumulare energia per la rete e altro ancora.
Ad esempio, gli edifici residenziali e commerciali potrebbero utilizzare l'idrogeno come alimentazione di riserva. I veicoli sono già alimentati da celle a combustibile a idrogeno e questa tecnologia diventerà più popolare con il miglioramento delle tecnologie. Questo vale non solo per le automobili, ma anche per autobus, treni, navi, aerei e fuoristrada e altri veicoli pesanti. Le stazioni di vendita al dettaglio in tutta la nazione potrebbero immagazzinare e distribuire in sicurezza l'idrogeno nel prossimo futuro.
Quali sono gli ostacoli all'implementazione su larga scala del combustibile a idrogeno?
L'idrogeno rappresenta una strada promettente per l'energia pulita su larga scala, ma produrre idrogeno affidabile, conveniente e sicuro comporta alcune sfide.
Ad esempio, la produzione di idrogeno pulito richiede spesso catalizzatori, che sono sostanze che aumentano la velocità delle reazioni chimiche. Molti di questi catalizzatori utilizzano materiali che scarseggiano, come platino e iridio. Attualmente si pone l'accento sullo sviluppo di approcci che riducano la necessità di catalizzatori che contengano questi e altri materiali costosi e critici.
Anche la costruzione di un'infrastruttura nazionale per la fornitura di idrogeno è una grande sfida. Città, autostrade, aeroporti e altro richiederanno significativi cambiamenti infrastrutturali per accogliere lo stoccaggio, il trasporto e il rifornimento di idrogeno.
Anche la durabilità e le prestazioni presentano sfide, sia per la produzione di idrogeno dall'acqua che per l'uso dell'idrogeno nelle celle a combustibile. In condizioni operative realistiche, le celle a combustibile devono mantenere le prestazioni per lunghi periodi di tempo (oltre un milione di miglia per i camion a lungo raggio) in ogni tipo di condizione.
Gli scienziati Argonne stanno affrontando queste sfide da molte angolazioni, sfruttando strutture e competenze di livello mondiale per far progredire la scienza dell'idrogeno e accelerare la ricerca e lo sviluppo delle celle a combustibile.
La loro ricerca sta rendendo le celle a combustibile più convenienti e durevoli; migliorare l'efficienza, la durata e il costo dei veicoli a celle a combustibile; quantificare l'impronta di carbonio dei diversi metodi di produzione e utilizzo dell'idrogeno; e abbassare il costo dell'idrogeno prodotto dalla sostanza più abbondante e priva di carbonio sulla Terra:l'acqua. + Esplora ulteriormente
