Pedeorelha | Come funziona l'economia dell'idrogeno

Thomas Dalton
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Tubi del vapore presso la stazione di generazione geotermica di Wairakei.

Sembra che ogni giorno ci sia un nuovo annuncio nelle notizie sulle automobili alimentate da celle a combustibile. Le promesse sono allettanti, dal momento che le celle a combustibile hanno il potenziale per raddoppiare molto rapidamente l'efficienza delle auto riducendo notevolmente l'inquinamento atmosferico.

Allo stesso tempo, ci sono state notizie per decenni sui problemi associati al petrolio. Tutto, dalle fuoriuscite di petrolio agli allarmi di ozono al riscaldamento gl-obale, viene attribuito alla nostra dipendenza dai combustibili fossili.

Queste due forze stanno guidando il mondo verso ciò che è ampiamente conosciuto come il economia dell'idrogeno. Se le previsioni sono vere, nei prossimi decenni inizieremo tutti a vedere uno straordinario spostamento dall'economia dei combustibili fossili che abbiamo oggi verso un futuro dell'idrogeno molto più pulito.

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La società può davvero fare questo cambiamento o le barriere tecnologiche, economiche e politiche ci terranno legati al petrolio e ad altri combustibili fossili per il prossimo secolo e oltre? In questo articolo imparerai i vantaggi di un'economia dell'idrogeno, insieme ai suoi potenziali problemi. Esamineremo anche alcune delle tecnologie che renderebbero possibile la transizione.

Attualmente, gli Stati Uniti e la maggior parte del mondo sono bloccati in quello che potrebbe essere chiamato economia dei combustibili fossili. Le nostre automobili, treni e aerei sono alimentati quasi esclusivamente da prodotti petroliferi come benzina e diesel. Un'enorme percentuale delle nostre centrali elettriche utilizza petrolio, gas naturale e carbone come combustibile.

Se il flusso di combustibili fossili verso gli Stati Uniti venisse interrotto, l'economia si fermerebbe. Non ci sarebbe modo di trasportare i prodotti che producono le fabbriche. Non ci sarebbe modo per le persone di guidare per andare al lavoro. L'intera economia, e di fatto l'intera società occidentale, attualmente dipende dai combustibili fossili.

Sebbene i combustibili fossili abbiano svolto un ruolo importante nel portare la società al punto in cui è oggi, ci sono quattro grandi problemi che i combustibili fossili creano:

Inquinamento dell'aria - Quando le auto bruciano benzina, idealmente la brucerebbero perfettamente e non creerebbero altro che anidride carbonica e acqua nei loro scarichi. Purtroppo il motore a combustione interna non è perfetto. Nel processo di combustione della benzina, produce anche:

Monossido di carbonio, un gas velenoso
Ossidi di azoto, principale fonte di smog urbano
Idrocarburi incombusti, principale fonte di ozono urbano

I convertitori catalitici eliminano gran parte di questo inquinamento, ma non sono perfetti. L'inquinamento atmosferico provocato dalle automobili e dalle centrali elettriche è un vero problema nelle grandi città.

È già abbastanza grave ora che, in estate, molte città hanno livelli pericolosi di ozono nell'aria.

Inquinamento ambientale - Il processo di trasporto e stoccaggio dell'olio ha un grande impatto sull'ambiente ogni volta che qualcosa va storto.

Superpetroliere caricate con petrolio in Arabia Saudita

Una fuoriuscita di petrolio, un'esplosione di un oleodotto o un incendio in un pozzo può creare un enorme disordine. La fuoriuscita di Exxon Valdez è l'esempio più noto del problema, ma le fuoriuscite minori si verificano costantemente.

Riscaldamento globale - Quando bruci un gallone di gas nella tua auto, emetti circa 5 libbre (2,3 kg) di carbonio nell'atmosfera. Se fosse carbonio solido, sarebbe estremamente evidente: sarebbe come lanciare un sacchetto di zucchero da 5 libbre dal finestrino della tua auto per ogni litro di gas bruciato. Ma poiché le 5 libbre di carbonio escono come un gas invisibile, l'anidride carbonica, la maggior parte di noi lo ignora. L'anidride carbonica che esce dallo scarico di ogni automobile è una gas serra che sta aumentando lentamente la temperatura del pianeta. Gli effetti finali sono sconosciuti, ma è una forte possibilità che, alla fine, ci saranno drammatici cambiamenti climatici che influenzeranno tutti sul pianeta. Ad esempio, se le calotte polari si sciolgono, il livello del mare aumenterà in modo significativo, inondando e distruggendo tutte le città costiere oggi esistenti. Questo è un grande effetto collaterale.

Dipendenza - Gli Stati Uniti e la maggior parte degli altri paesi non sono in grado di produrre abbastanza petrolio per soddisfare la domanda, quindi lo importano da paesi ricchi di petrolio. Ciò crea una dipendenza economica. Quando i produttori di petrolio del Medio Oriente decidono di aumentare il prezzo del petrolio, il resto del mondo non ha altra scelta che pagare il prezzo più alto.

Nella sezione precedente abbiamo visto i significativi problemi mondiali creati dai combustibili fossili. L'economia dell'idrogeno promette di eliminare tutti i problemi creati dall'economia dei combustibili fossili. Pertanto, i vantaggi dell'economia dell'idrogeno includono:

L'eliminazione dell'inquinamento causato dai combustibili fossili - Quando l'idrogeno viene utilizzato in una cella a combustibile per creare energia, si tratta di una tecnologia completamente pulita. L'unico sottoprodotto è l'acqua. Inoltre, non ci sono pericoli ambientali come le fuoriuscite di petrolio di cui preoccuparsi con l'idrogeno.
L'eliminazione dei gas serra - Se l'idrogeno proviene dall'elettrolisi dell'acqua, l'idrogeno non aggiunge gas serra all'ambiente. C'è un ciclo perfetto: l'elettrolisi produce idrogeno dall'acqua e l'idrogeno si ricombina con l'ossigeno per creare acqua ed energia in una cella a combustibile.
L'eliminazione della dipendenza economica - L'eliminazione del petrolio significa nessuna dipendenza dal Medio Oriente e dalle sue riserve di petrolio.
Produzione distribuita - L'idrogeno può essere prodotto ovunque ci siano elettricità e acqua. Le persone possono persino produrlo nelle loro case con una tecnologia relativamente semplice.

I problemi con l'economia dei combustibili fossili sono così grandi, ei vantaggi ambientali dell'economia dell'idrogeno così significativi, che la spinta verso l'economia dell'idrogeno è molto forte.

Lo sapevate?
I sensori che rilevano potenziali perdite in un motore a combustione interna alimentato a idrogeno sono stati sviluppati dalla NASA per rilevare perdite di idrogeno durante i lanci dello space shuttle. Scopri altre innovazioni della NASA in questa animazione interattiva da Discovery Channel.

La grande domanda con l'economia dell'idrogeno è: "Da dove viene l'idrogeno?" Dopo di che viene la questione del trasporto, distribuzione e stoccaggio dell'idrogeno. L'idrogeno tende ad essere ingombrante e ingannevole nella sua forma gassosa naturale.

Una volta che entrambe queste domande avranno una risposta economica, l'economia dell'idrogeno sarà pronta.

Esamineremo ciascuna di queste domande separatamente nelle sezioni seguenti.

-Uno dei problemi più interessanti dell'economia dell'idrogeno è l'idrogeno stesso. Da dove arriverà? Con l'economia dei combustibili fossili, devi semplicemente pompare il combustibile fossile dal terreno (vedi Come funziona la trivellazione petrolifera) e perfezionarlo (vedi - Come funziona la raffinazione del petrolio). Quindi lo bruci come fonte di energia.

La maggior parte di noi dà per scontati petrolio, benzina, carbone e gas naturale, ma in realtà sono piuttosto miracolosi. Questi combustibili fossili rappresentano energia solare immagazzinata da milioni di anni fa. Milioni di anni fa, le piante crescevano utilizzando l'energia solare per alimentare la loro crescita. Morirono e alla fine si trasformarono in petrolio, carbone e gas naturale. Quando pompiamo petrolio da terra, attingiamo a quell'enorme magazzino di energia solare "gratuitamente". Ogni volta che bruciamo un gallone di benzina, rilasciamo l'energia solare immagazzinata.

Nell'economia dell'idrogeno, non ci sono magazzini a cui attingere. Dobbiamo effettivamente creare l'e-nergy in tempo reale.

Ci sono due possibili fonti per l'idrogeno:

Elettrolisi dell'acqua - Usando l'elettricità, è facile dividere le molecole d'acqua per creare idrogeno e ossigeno puri. Un grande vantaggio di questo processo è che puoi farlo ovunque. Ad esempio, potresti avere una scatola nel tuo garage che produce idrogeno dall'acqua del rubinetto e potresti alimentare la tua auto con quell'idrogeno.
Riformare i combustibili fossili - Il petrolio e il gas naturale contengono idrocarburi, molecole costituite da idrogeno e carbonio. Utilizzando un dispositivo chiamato fuel processor o a riformatore, puoi dividere l'idrogeno dal carbonio in un idrocarburo in modo relativamente facile e quindi utilizzare l'idrogeno. Scarti il carbonio rimanente nell'atmosfera come anidride carbonica.

-La seconda opzione è, ovviamente, leggermente perversa. Stai usando combustibili fossili come fonte di idrogeno per l'economia dell'idrogeno. Questo approccio riduce l'inquinamento atmosferico, ma non risolve né il problema dei gas serra (perché c'è ancora carbonio nell'atmosfera) né il problema della dipendenza (hai ancora bisogno di petrolio). Tuttavia, potrebbe essere un buon passo temporaneo da compiere durante la transizione all'economia dell'idrogeno. Quando si sente parlare di "veicoli alimentati a celle a combustibile" in fase di sviluppo dalle case automobilistiche in questo momento, quasi tutte progettano di ottenere l'idrogeno per le celle a combustibile dalla benzina utilizzando un riformatore. Il motivo è perché la benzina è una fonte di idrogeno facilmente disponibile. Fino a quando non ci saranno "stazioni di idrogeno" in ogni angolo come abbiamo ora le stazioni di servizio, questo è il modo più semplice per ottenere l'idrogeno per alimentare la cella a combustibile di un veicolo.

La cosa interessante della prima opzione è che è il fulcro della vera economia dell'idrogeno. Avere un economia dell'idrogeno puro, l'idrogeno deve essere derivato risorse rinnovabili piuttosto che combustibili fossili in modo da smettere di rilasciare carbonio nell'atmosfera. Avere abbastanza elettricità per separare l'idrogeno dall'acqua e generare quell'elettricità senza utilizzare combustibili fossili, sarà il più grande cambiamento che vediamo nella creazione dell'economia dell'idrogeno.

La centrale elettrica di Bayswater (Nuovo Galles del Sud, Australia) crea elettricità utilizzando vapore pressurizzato per far funzionare i turbogeneratori.

Da dove verrà l'elettricità per l'elettrolisi dell'acqua? In questo momento, circa il 68% (riferimento) dell'elettricità prodotta negli Stati Uniti proviene dal carbone o dal gas naturale. Tutta questa capacità di generazione dovrà essere sostituita da fonti rinnovabili nell'economia dell'idrogeno. Inoltre, tutta l'energia da combustibili fossili ora utilizzata per i trasporti (in auto, camion, treni, barche, aerei) dovrà convertirsi in idrogeno e quell'idrogeno verrà creato anche con l'elettricità. In altre parole, la capacità di generazione elettrica del Paese dovrà raddoppiare per far fronte alle richieste di trasporto, e poi tutto dovrà convertirsi dai combustibili fossili a fonti rinnovabili. A quel punto, e solo a quel punto, il flusso di carbonio nell'atmosfera si fermerà.

In questo momento ci sono diversi modi per creare elettricità che non utilizzi combustibili fossili:

Energia nucleare
Dighe idroelettriche
Celle solari
Turbine eoliche
Energia geotermica
Potenza delle onde e delle maree
Cogenerazione (ad esempio, una segheria potrebbe bruciare la corteccia per creare energia o una discarica potrebbe bruciare il metano prodotto dalla spazzatura in decomposizione).

In senso orario da in alto a destra: Centrale elettrica solare; centrale nucleare; diga idroelettrica; turbina eolica

Negli Stati Uniti, circa il 20% dell'energia attualmente proviene dal nucleare e il 7% dall'idroelettrico. Solare, eolico, geotermico e altre fonti generano solo il 5% dell'energia, appena sufficiente per avere importanza.

In futuro, salvo qualche progresso tecnologico, sembra probabile che una delle due cose accadrà per creare l'economia dell'idrogeno: la capacità di generazione di energia nucleare o solare aumenterà drasticamente. Ricorda che, in un'economia dell'idrogeno puro, la capacità di generazione elettrica dovrà approssimativamente raddoppiare perché tutta l'energia per il trasporto che attualmente proviene dal petrolio dovrà essere sostituita con idrogeno generato elettricamente. Quindi il numero di centrali elettriche raddoppierà e tutte le centrali a combustibili fossili saranno sostituite.

Il problema della generazione elettrica è probabilmente il più grande ostacolo all'economia dell'idrogeno. Una volta che la tecnologia è stata perfezionata e diventa poco costosa, i veicoli a celle a combustibile alimentati a idrogeno potrebbero sostituire i motori a combustione interna a benzina nel corso di un decennio o due. Ma cambiare le centrali elettriche al nucleare e al solare potrebbe non essere così facile. L'energia nucleare ha problemi politici e ambientali e l'energia solare attualmente ha problemi di costi e posizione.

Aperto per affari
Stazioni di rifornimento di idrogeno sono già aperte in diversi paesi tra cui Stati Uniti, Islanda, Giappone e Germania. Vedi FuelCells.org - Stazioni di rifornimento di idrogeno nel mondo per trovare una stazione di idrogeno vicino a te.

-In questo momento, il problema con la messa su strada di veicoli a idrogeno puro è il problema dello stoccaggio / trasporto. L'idrogeno è un gas voluminoso e non è così facile da lavorare come la benzina. La compressione del gas richiede energia e l'idrogeno compresso contiene molta meno energia dello stesso volume di benzina. Tuttavia, stanno emergendo soluzioni al problema dello stoccaggio dell'idrogeno.

Ad esempio, l'idrogeno può essere immagazzinato in forma solida in una sostanza chimica chiamata boroidruro di sodio, e questa tecnologia è apparsa recentemente nelle notizie perché Chrysler la sta testando. Questa sostanza chimica è creata dal borace (un ingrediente comune in alcuni detergenti). Quando il boroidruro di sodio rilascia il suo idrogeno, si trasforma di nuovo in borace in modo che possa essere riciclato.

Una volta risolto e standardizzato il problema dello stoccaggio, attorno ad esso dovrà svilupparsi una rete di stazioni di idrogeno e l'infrastruttura di trasporto. Il principale ostacolo a ciò potrebbe essere il processo di selezione tecnologica. Le stazioni non si svilupperanno rapidamente fino a quando non ci sarà una tecnologia di archiviazione che domina chiaramente il mercato. Ad esempio, se tutte le auto a idrogeno di tutti i produttori usassero boroidruro di sodio, una rete di stazioni potrebbe svilupparsi rapidamente; quel tipo di standardizzazione è improbabile che accada rapidamente, se la storia è una guida.

Potrebbe anche esserci una svolta tecnologica che potrebbe cambiare rapidamente il campo di gioco. Ad esempio, se qualcuno potesse sviluppare una batteria ricaricabile poco costosa con capacità elevata e un tempo di ricarica rapido, le auto elettriche non avrebbero bisogno di celle a combustibile e non ci sarebbe bisogno di idrogeno sulla strada. Le auto si ricaricano utilizzando l'elettricità direttamente.

- Sentirete sempre di più parlare dell'economia dell'idrogeno nelle notizie nei prossimi mesi, perché il tamburo sta crescendo più forte. I problemi ambientali dell'economia dei combustibili fossili si stanno combinando con le scoperte nella tecnologia delle celle a combustibile e l'abbinamento ci consentirà di muovere i primi passi.

Il passo più ovvio che vedremo è la commercializzazione di veicoli alimentati a celle a combustibile. Sebbene inizialmente saranno alimentate a benzina e riformatori, le celle a combustibile rappresentano due importanti miglioramenti rispetto al motore a combustione interna:

Sono circa due volte più efficienti.
Possono ridurre significativamente l'inquinamento atmosferico nelle città.

I veicoli a celle a combustibile alimentati a benzina sono un eccellente passo di transizione a causa di questi vantaggi.

Trasferirsi in un economia dell'idrogeno puro sarà più difficile. Le centrali elettriche dovranno passare a fonti di energia rinnovabile e il mercato dovrà concordare le modalità per immagazzinare e trasportare l'idrogeno. Questi ostacoli probabilmente faranno sì che la transizione all'economia dell'idrogeno sia un processo piuttosto lungo.

Per saperne di più sull'economia dell'idrogeno e sulle tecnologie che la circondano, controlla i link nella pagina successiva.