L’IDROGENO: CARATTERISTICHE E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE

L’esistenza dell’idrogeno è nota da secoli, ma la sua vera natura iniziò ad emergere intorno al XVI secolo, quando Paracelso descrisse per primo un’”aria infiammabile” prodotta per reazione dell’acido solforico con il ferro. Dopo vari studi, compiuti da diversi chimici, si arrivò al 1783 in cui Lavoisier diede a questo gas il nome d’idrogeno (generatore d’acqua).

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELL’IDROGENO

Il suo simbolo chimico è H; è il più leggero degli elementi essendo costituito da un solo protone ed un elettrone. L’idrogeno naturale si presenta come una miscela di due isotopi, cioè di specie che differiscono soltanto per il diverso numero di neutroni presenti nel nucleo: il protio, che ha un nucleo senza neutroni, ed il deuterio, che ha un nucleo con un protone ed un neutrone. Un terzo isotopo è il trizio costituito da un nucleo con un protone e due neutroni.
La molecola dell’idrogeno è biatomica con un legame covalente puro, cioè con una coppia d’elettroni condivisa tra due atomi identici.
Non è presente sulla Terra allo stato libero, se non in quantità trascurabili; questo perché l’attrazione gravitazionale terrestre è insufficiente a trattenere molecole molto leggere come quelle dell’idrogeno (la sua massa volumica è 14.4 volte minore di quella dell’aria). Si trova in abbondanza allo stato combinato e nel campo della chimica organica sono noti milioni di composti contenenti idrogeno che vanno dal più semplice degli idrocarburi, il metano, alle enormi proteine dei carboidrati con un grandissimo numero d’atomi d’idrogeno.
A temperatura ambiente è un gas incolore ed inodore, inoltre è insolubile in acqua. La sua reattività chimica è limitata a temperatura ambiente mentre è elevata ad alta temperatura o in presenza di catalizzatori. Inoltre, esso, ha punti d’ebollizione e di fusione più bassi d’ogni altra sostanza ad eccezione dell’elio.

CARATTERISTICHE DI COMBUSTIONE

Tra tutti i combustibili, l’idrogeno è quello dotato del più alto potere calorifico. Per potere calorifico di un combustibile si intende il calore che la sua unità di massa o volume è in grado di produrre durante la combustione; può essere tanto superiore che inferiore a seconda che l’acqua proveniente dalla combustione sia allo stato liquido o vapore.
L’idrogeno brucia facilmente e dà luogo ad emissioni inquinanti molto inferiori agli altri combustibili.
Nella combustione in aria con fiamma libera, gli unici prodotti inquinanti che si formano sono gli ossidi d’azoto (NOx). Se la combustione avviene in ossigeno puro il solo prodotto sarà acqua.
Le principali caratteristiche dell’idrogeno come combustibile sono riportare nella tabella (1.1), insieme a quelle del metano e della benzina per un confronto.

VANTAGGI DELL’IDROGENO

L’idrogeno può essere prodotto da qualsiasi fonte d’energia, comprese quelle rinnovabili. Può essere prodotto per mezzo d’elettricità e può essere convertito in elettricità con rese abbastanza alte.
La materia prima fondamentale per la sua produzione è l’acqua che è disponibile in abbondanza. L’idrogeno è una fonte rinnovabile dato che il prodotto del suo impiego, sia tramite combustione sia attraverso conversione elettrochimica, è acqua pura o vapore acqueo. E’ una fonte compatibile con l’ambiente poiché la sua produzione, il suo immagazzinaggio, trasporto e utilizzo finale non producono nessun agente inquinante (eccetto gli NOx se bruciato con aria) o altro effetto nocivo per l’ambiente.
Può essere immagazzinato sotto forma gassosa, liquida o in idruri di metallo; essere trasportato attraverso oleodotti, gasdotti o navi cisterna.
L’idrogeno, inoltre, non produce nessun gas serra, in particolare CO2.

IMPIEGHI DELL’IDROGENO

L’utilizzo dell’idrogeno, sia come materia prima che come combustibile, è noto da diversi anni nel settore industriale, abitativo e del trasporto.
In passato è stato utilizzato soprattutto per il gonfiamento degli aerostati ma, a causa della sua infiammabilità, che provocò gravi incidenti come quello dell’Hindenburg nel 1937, è stato sostituito con l’elio, poco più pesante ma non infiammabile.
In campo industriale è utilizzato come materia prima nei processi di sintesi dell’ammoniaca, nell’idrogenazione delle nafte, per la produzione di metanolo e di carburanti sintetici e per la preparazione di fertilizzanti.
Per quanto riguarda il suo impiego come combustibile, l’idrogeno liquido in combinazione con l'ossigeno liquido, è utilizzato da anni nei programmi spaziali della NASA come propellente per gli Space Shuttle.
Nel settore dei trasporti, l’utilizzo dell’idrogeno è stato sperimentato in due modi: nei motori a combustione interna, dove avviene un normale processo di combustione con trasformazione d’energia chimica in energia termica e successiva conversione di calore in lavoro; nelle celle a combustibile, che convertono direttamente l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica impiegata per alimentare un motore elettrico.