L’idrogeno è appena diventato più attraente come fonte di energia grazie a una svolta nella contenimento

L’idrogeno, l’elemento più leggero dell’universo, è rappresentato dal simbolo H. Ha un numero atomico pari a 1 ed è l’elemento più comune. È l’elemento chimico più semplice, con un solo protone e un solo elettrone, ed è incolore, insapore e inodore. 

Curiosamente, l’idrogeno contribuisce a circa il 75% della massa dell’universo. Tuttavia, rappresenta solo circa lo 0,14% della crosta terrestre in peso. Si trova naturalmente in forma di composti con altri elementi in solidi, liquidi e gas. Quando si combina con l’ossigeno, questa sostanza infiammabile forma acqua (H2O), e in combinazione con il carbonio forma idrocarburi, presenti nel petrolio e nel carbone. Pertanto, l’idrogeno può essere prodotto da diverse risorse, tra cui energia rinnovabile come solare e eolico, energia nucleare e gas naturale. 

In particolare, sono state fatte molte scoperte di sacche naturali di gas idrogeno in paesi come Australia, Nuova Zelanda, Canada, Francia, Germania, Giappone e Russia. Attualmente, gli scienziati stanno esplorando l’entità di queste riserve in questi paesi, insieme alle loro origini e ai potenziali effetti sull’ambiente circostante se estratte.

L’idrogeno come fonte di energia

I metodi più comuni per produrre carburante a base di idrogeno includono processi termici, elettrolisi, elettrolisi alimentata da fotovoltaico, processi solari e processi biologici. 

Termico

Nel processo termico, il vapore reagisce con un combustibile idrocarburico come diesel, gas naturale, carbone gassificato o biomassa gassificata per produrre H. In particolare, la maggior parte (circa il 95%) di tutto l’idrogeno è prodotta dalla riformulazione a vapore del gas naturale. 

Elettrolisi

L’elettrolisi, nel frattempo, consiste nella separazione dell’acqua in ossigeno e idrogeno. Questo processo avviene in un elettrolizzatore e genera idrogeno dalle molecole d’acqua.

Biologica

I processi biologici utilizzano microrganismi invisibili a occhio nudo, come i batteri, per produrre idrogeno. 

Solare

Il processo solare, come suggerisce il nome, utilizza la luce per la produzione di H attraverso vari metodi come fotoelettrochimico (utilizza semiconduttori specializzati per separare l’acqua in H e O), fotobiologico (sfrutta l’attività fotosintetica naturale di batteri e alghe verdi) e solare termochimico (impiega energia solare concentrata per guidare le reazioni di scissione dell’acqua).

Oltre a tutte le sue qualità, l’idrogeno è anche un combustibile pulito, il che significa che produce solo acqua, calore ed elettricità quando viene consumato in una cella a combustibile. Questo lo rende un’opzione attraente per la generazione di elettricità e per i trasporti, inclusi auto e razzi. La sostanza ad alta densità energetica e stoccabile che non produce gas serra è stata in realtà utilizzata per alimentare motori a combustione interna più di due secoli fa. 

Questi fatti dimostrano che l’idrogeno è una delle principali opzioni per immagazzinare energia rinnovabile ed è già impiegato in molti settori. Tuttavia, il suo vero potenziale deve ancora essere realizzato. Per farlo, l’idrogeno deve essere prodotto su larga scala in modo economico. Inoltre, l’infrastruttura attuale deve adattarsi all’idrogeno, sebbene possa essere trasportato tramite condotte di gas.

Sebbene non abbiamo ancora sfruttato appieno le potenzialità dell’uso dell’idrogeno come combustibile, la spesa globale in ricerca e sviluppo per esplorare il pieno potenziale dell’idrogeno come fonte di energia è aumentata negli ultimi anni. In effetti, uno studio recente ha compiuto una grande svolta in questo ambito, consentendo l’immagazzinamento ad alta densità di idrogeno per i futuri sistemi energetici.

Struttura per immagazzinare idrogeno densamente compattato

Pubblicato sulla rivista Nature Chemistry lo scorso mese, the study, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen,” è stato finanziato in parte dalla National Research Foundation of Korea (NRF) e dalla German Research Foundation (DFG).

Mentre i materiali nanoporous hanno attirato molta attenzione per l’immagazzinamento di gas, lo studio ha osservato che raggiungere un’elevata capacità di stoccaggio volumetrico rimane una sfida. Pertanto, diversi ricercatori di varie università si sono uniti per affrontare questo problema.

Michael Hirscher, dell’Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) dell’Università di Tohoku in Giappone e del Max Planck Institute for Intelligent Systems in Germania, ha concepito le idee originali e supervisionato il progetto. Nel frattempo, Hyunchul Oh dell’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) della Corea ha guidato questo progetto.

Curiosamente, nel 2022, un team di scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems, del Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia (DOE), della Technische Universität Dresden e della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ha dimostrato che l’idrogeno si condensa su una superficie a una temperatura molto bassa vicino al punto di ebollizione dell’H2. Questo processo forma una monostrato super-denso, superando la densità dell’idrogeno liquido di 3 volte, riducendo il volume a soli 5 litri per chilogrammo di H2.

Ora, lo studio più recente in questione ha investigato una struttura di boroidruro di magnesio utilizzando diffrazione a polvere di neutroni, scattering inelastico di neutroni, adsorbimento volumetrico di gas e calcoli da primi principi. La struttura presenta pori piccoli e un interno parzialmente caricato negativamente e non piatto per l’assorbimento di idrogeno (H) e azoto (N).

Sia l’azoto che l’idrogeno occupano siti di adsorbimento notevolmente diversi nei pori. Entrambi hanno anche capacità limite molto diverse: 0,66 N2 e 2,33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, scoperto per la prima volta nel 1950, è noto come materiale di stoccaggio di idrogeno ad alta capacità che esiste sia come polimorfi cristallini con strutture MOF-like nanoporous sia come polimorfi molto densi con estrema densità volumetrica di idrogeno e alta capacità gravimetrica di idrogeno.

Quindi, per quanto riguarda l’idrogeno molecolare, è impacchettato estremamente densamente, con una densità circa doppia rispetto a quella dell’idrogeno liquido. 

Il team ha quindi utilizzato la diffrazione a polvere di neutroni (NPD) per determinare la posizione degli atomi di idrogeno nella struttura insieme ai siti di adsorbimento delle molecole.

Lo studio ha osservato che è stato trovato un cluster penta-diidrogeno (il diidrogeno è costituito da due atomi di idrogeno legati da un legame singolo) dove le molecole di H2 in una posizione hanno libertà rotazionale. Al contrario, le molecole di H2 in un’altra posizione hanno un’orientazione ben definita e un’interazione direzionale con la struttura. Ciò rivela che l’idrogeno densamente impacchettato può effettivamente essere stabilizzato in materiali a pori piccoli sotto pressioni atmosferiche normali.

Con questa scoperta, il team ha affrontato con successo la sfida della capacità limitata di stoccaggio dell’idrogeno utilizzando una tecnologia avanzata di adsorbimento ad alta densità.

Questo sviluppo rivoluzionario è stato riportato dal Professor Oh del Dipartimento di Chimica dell’UNIST. La ricerca innovativa segna un avanzamento significativo nei futuri sistemi energetici. 

Abilitare lo stoccaggio di idrogeno su larga scala

Quando si tratta di utilizzare l’idrogeno nei trasporti, nella produzione di energia stazionaria e portatile, lo stoccaggio svolge un ruolo chiave. Sebbene l’elemento abbia la più alta energia per massa, la sua bassa densità a temperatura ambiente comporta una minore energia per unità di volume. Pertanto, sono necessari metodi di stoccaggio avanzati per raggiungere una densità energetica più elevata.

Attualmente, la tecnologia di stoccaggio si concentra principalmente sullo stoccaggio di idrogeno molecolare in forma liquida o gassosa. Tuttavia, naturalmente, esistono limiti a questa tecnologia attuale in termini di densità di stoccaggio volumetrica e gravimetrica (quanta energia per grammo o chilogrammo può essere immagazzinata).

Conservare l’idrogeno come gas richiede serbatoi ad alta pressione, mentre come liquido sono necessarie temperature criogeniche. Può anche essere immagazzinato sulla superficie o all’interno di un solido tramite assorbimento.

Come molecola, l’idrogeno può essere adsorbito fisicamente in un materiale contenente pori (vuoti) mediante deboli interazioni di Van der Waals (relativamente deboli e non ioniche) attraverso la fisiosorbimento. Si riferisce a un processo in cui le molecole di gas si attaccano a una superficie solida. Tuttavia, sebbene i materiali altamente porosi offrano un alto assorbimento gravimetrico di idrogeno, sono necessari miglioramenti nella capacità di stoccaggio volumetrico.

Qui entra in gioco il boroidruro di magnesio cubico nanoporous, γ-Mg(BH4)2, che offre ottimi risultati. Ha una densità di ρ = 0,550 g cm−3 e un volume di pori libero del 33%. Un diametro del poro di circa 9 Å consente a questo composto di adsorbire piccole molecole come idrogeno o azoto. È attraverso la superficie interna parzialmente carica negativamente di questo idruro poroso che gli atomi idridici sono esposti ai pori.

Reso possibile dal Mid-Career Research Program del NFR e dal Ministero della Scienza e ICT (MSIT), lo studio ha sintetizzato questo idruro complesso nanoporous comprendente catione di magnesio (Mg+) e idruro di magnesio, e idruro di boro solido (BH4)2.

Il materiale risultante consente l’immagazzinamento di cinque molecole di idrogeno in una disposizione 3D, raggiungendo un notevole stoccaggio ad alta densità di idrogeno. Inoltre mostra una capacità di stoccaggio di idrogeno di 144 g/L per volume di pori, ben al di sopra dei metodi tradizionali. Impressionantemente, la densità delle molecole di idrogeno all’interno del materiale supera persino quella dello stato solido.

Descrivendo il materiale come una “cambiamento di paradigma” nel mondo dello stoccaggio dell’idrogeno, il Professor Oh ha affermato che offre “un’alternativa convincente agli approcci tradizionali.” 

Questo sviluppo migliora significativamente la produttività e l’efficienza economica dell’utilizzo dell’idrogeno come fonte di energia. Affronta inoltre le sfide dello stoccaggio dell’idrogeno su larga scala per un uso diffuso nelle applicazioni di trasporto pubblico e personale.

Aziende che trarranno beneficio da questo sviluppo 

Se parliamo dei settori che possono beneficiare di questa ricerca, che sta trasformando lo stoccaggio dell’idrogeno, vengono in mente una vasta gamma di settori, tra cui chimico, energetico, automobilistico, ingegneristico e delle costruzioni. Diamo quindi un’occhiata ad alcune delle aziende che possono trarne vantaggio: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

L’azienda automobilistica con sede in Giappone ha promesso di ridurre le sue emissioni di CO2 e afferma di essere una delle prime aziende a concentrarsi sul potenziale dell’energia a idrogeno. 

Per raggiungere questi obiettivi, Honda Motor (HMC ) Company sta studiando le tecnologie a celle a combustibile dal 1980 per una varietà di applicazioni. 

All’inizio di quest’anno, l’azienda ha annunciato di aver avviato la produzione di soluzioni energetiche a celle a combustibile a idrogeno in collaborazione con General Motors (GM ) (GM) per varie applicazioni di prodotto e quello che chiamano “l’inizio dell’era dell’idrogeno.”

Con una capitalizzazione di mercato di 64,85 miliardi di dollari, le azioni dell’azienda sono quotate a 36,93 $, in rialzo del 19,22% dall’inizio dell’anno (YTD). Honda Motor ha registrato un fatturato (TTM) di 128,49 miliardi di dollari e un EPS (TTM) di 7,73 e un P/E (TTM) di 4,77. L’azienda paga anche un rendimento da dividendo del 2,77%.

#2. Dow Chemical Company

The Dow Chemical Company è attiva in vari settori, tra cui Idrocarburi & Energia. Recentemente, ha stretto una partnership con Linde (NYSE: LIN) per fornire idrogeno e azoto puliti per il suo sito integrato di cracker di etilene e derivati a emissioni nette zero in Canada. L’accordo è stato finalizzato alla fine dello scorso anno per il progetto da 6,5 miliardi di dollari. Nell’ambito dell’accordo, verrà impiegata la tecnologia di separazione dell’aria e reforming auto-termico di Linde per convertire i gas di scarico del cracker del sito in idrogeno.

Con una capitalizzazione di mercato superiore a 39,9 miliardi di dollari, le azioni di Dow Chemical sono quotate a 56,76 $, in rialzo del 3,5% YTD. Dow Chemical ha registrato un fatturato (TTM) di 44,62 miliardi di dollari, un EPS (TTM) di 0,81 e un P/E (TTM) di 69,67. L’azienda paga anche un rendimento da dividendo del 4,93%.

#3. McPhy Energy SA

L’azienda con sede in Francia sviluppa soluzioni per la produzione e lo stoccaggio di idrogeno. Lo scorso anno, McPhy ha ampliato il suo accordo commerciale con Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), secondo il quale quest’ultima fornirà processi e attrezzature legati all’idrogeno per la compressione e la liquefazione dell’idrogeno. 

Più recentemente, la principale azienda di tecnologia e produzione di elettrolizzatori ha vinto un contratto dalla svedese AAK AB per fornire il suo elettrolizzatore 800-30 con una capacità di 4 MW e parti di ricambio correlate, che consentiranno all’azienda svedese di utilizzare idrogeno a bassa emissione di carbonio come gas di processo.

Con una capitalizzazione di mercato di 47,18 miliardi, le azioni dell’azienda (MCPHY-FR: Euronext Paris) sono quotate a EUR 1,69, in calo del 49,97% YTD. Ha un EPS (TTM) di -0,69 e un P/E (TTM) di -1. Lo scorso mese, McPhy ha riportato i risultati dell’anno finanziario 2023, registrando una crescita del fatturato annuo del +17% a €18,8 milioni e una crescita ancora più elevata del +25% per il suo business di elettrolizzatori. Ha inoltre segnalato una posizione di liquidità di circa €62 milioni alla fine di dicembre.

Conclusione 

Il mercato dello stoccaggio di energia a idrogeno è pronto per una rapida crescita, con una proiezione di superare la valutazione di $17.6 bln nei prossimi otto anni, poiché i governi investono massicciamente in infrastrutture basate sull’idrogeno, secondo Global Market Insights. In particolare, si prevede che il segmento dei trasporti guiderà una crescita significativa, con un CAGR previsto del 10%, alimentato dal ruolo dell’idrogeno nella riduzione sostanziale delle emissioni di carbonio nel settore. 

Dato il potenziale dell’idrogeno come fonte di energia più pulita ed efficiente, continuerà ad essere adottato non solo nei trasporti ma anche in altri settori. Con la ricerca continua e nuove scoperte, potremo finalmente vedere un’adozione molto più ampia, aiutandoci a raggiungere emissioni nette di carbonio zero.

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