Se pensiamo a come viene prodotto l’idrogeno, ci chiederemo perché l’idrogeno viene utilizzato come combustibile. Ebbene, quando l’idrogeno viene utilizzato come combustibile in una cella a combustibile, è un combustibile pulito che produce esclusivamente acqua.
Numerose risorse, tra cui gas naturale, nucleare, biomassae fonti di energia rinnovabile piace solare e il vento, possono essere utilizzati per produrre idrogeno.
I suoi vantaggi lo rendono una scelta desiderabile come combustibile per applicazioni che coinvolgono la produzione di energia e i trasporti. Ha numerosi usi, tra cui energia portatile, case, automobili e altro ancora.
L’uso delle celle a combustibile a idrogeno come sostituto pulito ed efficace motori a combustione convenzionali è cresciuto in modo significativo. L'unico risultato dell'interazione chimica tra idrogeno e ossigeno in queste celle a combustibile che producono elettricità è l'acqua.
Per sfruttare appieno il potenziale delle celle a combustibile a idrogeno è necessaria una sofisticata procedura di produzione.
Sommario
Come viene prodotto il combustibile a idrogeno: 4 principali metodi di produzione
Ci sono vari modi per produrre combustibile a idrogeno. Al giorno d’oggi, l’elettrolisi e il reforming del gas naturale, un processo termico, sono le tecniche più utilizzate. I processi biologici e quelli alimentati dall’energia solare sono altri due approcci.
- Processi termici
- Processi elettrolitici
- Processi guidati dall’energia solare
- Processi biologici
1. Processi termici
Il metodo termico più comune per produrre idrogeno è lo steam reforming, che è una reazione ad alta temperatura tra il vapore e un combustibile idrocarburico che produce idrogeno.
L’idrogeno può essere prodotto attraverso il reforming di vari combustibili idrocarburici, come diesel, gas naturale, carbone gassificato, biomassa gassata e combustibili liquidi rinnovabili. Al giorno d’oggi, il gas naturale mediante reforming con vapore produce quasi il 95% di tutto l’idrogeno.
2. Processi elettrolitici
L'idrogeno e l'ossigeno possono essere estratti dall'acqua mediante una tecnica di elettrolisi. Un elettrolizzatore è un dispositivo che esegue processi elettrolitici. È simile a una cella a combustibile in quanto produce idrogeno dalle molecole d'acqua anziché utilizzare l'energia di una molecola di idrogeno.
3. Processi guidati dall'energia solare
Nei sistemi ad energia solare, la luce agisce come un agente per produrre idrogeno. Alcuni processi guidati dal sole sono termochimici, fotoelettrochimici e fotobiologici. L'idrogeno viene prodotto attraverso processi fotobiologici, che si basano sulla naturale attività fotosintetica di batteri e alghe verdi.
Utilizzando semiconduttori specifici, le reazioni fotoelettrochimiche dividono l'acqua in idrogeno e ossigeno. L’energia solare concentrata viene utilizzata nella sintesi termochimica solare dell’idrogeno per alimentare le reazioni di scissione dell’acqua, spesso insieme ad altre specie come gli ossidi metallici.
4. Processi biologici
Microrganismi come batteri e microalghe vengono utilizzati nei processi biologici e questi organismi possono produrre idrogeno attraverso reazioni biologiche.
Decomponendo materiali organici come la biomassa o le acque reflue, i batteri possono produrre idrogeno in un processo noto come conversione della biomassa microbica. Al contrario, i processi fotobiologici utilizzano la luce solare come fonte di energia per i microbi.
Come viene prodotto il combustibile a idrogeno: 8 fasi di produzione
Dopo aver discusso i vari metodi di produzione, esaminiamo le procedure specifiche coinvolte nella produzione di una cella a combustibile a idrogeno, dall'individuazione delle materie prime alla produzione di una fonte di energia pulita. Esamineremo le procedure che compongono il processo elettrolitico.
- Approvvigionamento di materie prime
- Preparazione del catalizzatore
- Fabbricazione dell'assemblaggio di elettrodi a membrana (MEA).
- Produzione di piastre bipolari
- Gruppo pila di celle a combustibile
- Equilibrio dei componenti dell'impianto
- Controllo qualità e test
- Distribuzione e integrazione
1. Approvvigionamento di materie prime
L'approvvigionamento delle materie prime necessarie per la costruzione delle celle a combustibile a idrogeno è il primo passo del processo produttivo. I componenti essenziali includono materiali a base di carbonio per le piastre bipolari, polimeri per la membrana elettrolitica e platino o altri catalizzatori per le reazioni degli elettrodi.
Solitamente acquistati da molti fornitori, questi materiali sono sottoposti a rigorose procedure di garanzia della qualità per garantirne l'idoneità alla produzione di celle a combustibile.
2. Preparazione del catalizzatore
Il catalizzatore, spesso realizzato in platino, è essenziale per la capacità della cella a combustibile di condurre reazioni elettrochimiche.
Per produrre uno strato catalitico altamente attivo e stabile, il materiale catalitico viene trattato e prodotto utilizzando una varietà di metodi, tra cui la deposizione chimica e la deposizione fisica da vapore.
Le superfici degli elettrodi vengono quindi ricoperte con questo strato utilizzando tecniche come il rivestimento a spruzzo o la serigrafia.
3. Fabbricazione dell'assemblaggio di elettrodi a membrana (MEA).
Gli elettrodi rivestiti con catalizzatore e la membrana elettrolitica polimerica costituiscono il gruppo membrana-elettrodo, che è una parte essenziale della cella a combustibile. La membrana elettrolitica polimerica è meticolosamente prodotta e scolpita per adattarsi all'architettura dello stack di celle a combustibile.
È comunemente composto da un polimero di acido perfluorosolfonico. Il MEA viene successivamente formato integrando gli elettrodi rivestiti con catalizzatore in ciascun lato della membrana.
4. Produzione di piastre bipolari
In una pila di celle a combustibile, le piastre bipolari hanno il compito di disperdere i gas reagenti e trasferire l'elettricità tra le celle a combustibile. Di solito, per realizzare queste piastre vengono utilizzati materiali a base di carbonio resistenti alla corrosione e leggeri.
Per ottenere la forma e la struttura richieste, durante il processo di produzione vengono utilizzati processi di stampaggio, lavorazione o pressatura. Canali e campi di flusso sono inclusi anche nelle piastre bipolari per facilitare il passaggio efficace dei gas ossigeno e idrogeno.
5. Gruppo pila di celle a combustibile
Il componente essenziale del sistema di celle a combustibile a idrogeno è lo stack di celle a combustibile, costituito da diverse celle a combustibile accoppiate in disposizioni parallele e in serie. L'assemblaggio è costituito da piastre bipolari, strati di diffusione del gas e MEA perfettamente impilati.
Le perdite di gas vengono evitate e la buona tenuta è garantita dall'uso di materiali sigillanti come adesivi e guarnizioni. Il gruppo stack è realizzato per produrre la massima potenza preservando il flusso ideale di refrigerante e gas.
6. Equilibrio dei componenti dell'impianto
Un sistema completo di celle a combustibile necessita di diversi componenti BOP (Balance of Plant) oltre allo stack di celle a combustibile. Si tratta di umidificatori, sistemi di raffreddamento, sistemi di alimentazione di idrogeno e ossigeno ed elettronica di potenza per la gestione e la regolazione della produzione elettrica.
Per garantire un flusso adeguato di carburante e refrigerante, gestione termica e connettività elettrica, i componenti BOP sono integrati nella progettazione complessiva del sistema.
7. Controllo qualità e test
Durante il processo di produzione vengono utilizzate rigorose procedure di controllo qualità per garantire l'affidabilità e l'efficienza di ciascuna cella a combustibile. In diverse fasi vengono eseguiti controlli di qualità come ispezione visiva, test elettrici e revisioni delle prestazioni.
Vengono eseguiti test completi sui gruppi finali di celle a combustibile per confermarne la potenza elettrica, la durata, l'efficienza e la sicurezza. Per soddisfare gli standard qualitativi richiesti, eventuali celle o componenti difettosi vengono ricercati e sostituiti.
8. Distribuzione e integrazione
Le celle a combustibile sono pronte per l'implementazione e l'integrazione in una serie di applicazioni dopo la loro riuscita produzione e test. I dispositivi elettronici portatili, le apparecchiature fisse per la generazione di energia e le automobili possono rientrare in questa categoria.
Per costruire un dispositivo alimentato a idrogeno utile ed efficace, la procedura di integrazione prevede il collegamento del sistema di celle a combustibile ai sistemi ausiliari richiesti, come serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno, sistemi di aspirazione dell'aria e unità di gestione dell'energia.
Conclusione
La produzione di celle a combustibile a idrogeno è un processo in più fasi che inizia con l’approvvigionamento delle materie prime e termina con l’integrazione dei sistemi di celle a combustibile.
Questo complesso processo garantisce la produzione di fonti energetiche pulite, affidabili ed efficienti che hanno il potenziale di trasformare completamente la produzione di energia, i trasporti e altri settori.
Il processo di produzione delle celle a combustibile a idrogeno è in continua evoluzione grazie alla continua ricerca e sviluppo, che spinge allo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili.
raccomandazioni
- 20 fatti sull'energia idroelettrica che non hai mai saputo
. - Veicoli alimentati a idrogeno: conosci i pro e i contro
. - Come funziona l'energia idroelettrica
. - Il ciclo idrologico dell'ambiente
. - In che modo il metano influisce sul riscaldamento globale?
Un ambientalista guidato dalla passione a memoria. Lead content writer presso EnvironmentGo.
Mi sforzo di educare il pubblico sull'ambiente e sui suoi problemi.
È sempre stata una questione di natura, dobbiamo proteggere non distruggere.