Il metodo made in Italy per produrre Idrogeno

Da molti anni, ormai, sentiamo parlare di un futuro energetico incentrato sull’idrogeno. Molti, parlano di questo possibile combustibile addirittura speculando su un passaggio dall’era del petrolio a quella dell’idrogeno. Come tutti sappiamo, questa soluzione potrebbe essere utilizzata in tantissimi settori. Anche se il più noto, e lasciatemi dire su cui tante leggende sono state create, è quello delle macchine alimentate a idrogeno, questo elemento potrebbe servire per produrre corrente elettrica ed energia nei più svariati settori industriali, consentendo, finalmente, di mettere da parte i fortemente inquinanti idrocarburi ma, soprattutto, l’economia basata su questi oli che non ha fatto altro che creare centri di potere, in primis, e guerre per l’appropriazione e lo sfruttamento dei giacimenti sparsi per il mondo.

Perché, ancora oggi, visto che molti parlano di una panacea di tutti i mali, non utilizziamo l’idrogeno?

Come sapete, molti parlano di poteri forti in grado di bloccare lo sviluppo di queste tecnologie per puri fini economici. Da un lato, queste affermazioni sono corrette. Non voglio nascondermi dietro un dito e dire che viviamo in un mondo ideale. Come tutti sanno, i soldi fanno andare l’acqua in salita ma, soprattutto, decidono dove l’acqua deve passare e dove no. Questo lato economico-oscuro non è però materia del nostro blog. Quello su cui invece vorrei spingere tutti a ragionare è il discorso prettamente energetico e ambientale dell’idrogeno.

Anche molti tra i cosiddetti esperti dell’energia, un po’ per secondi fini ma, mi dispiace dirlo, a volte anche per ignoranza, quando parlano di fonti alternative, dunque non solo idrogeno, dimenticano sempre di prendere in considerazione l’intera filiera del settore che non comprende solo l’utilizzo della risorsa ma anche la sua estrazione o eventuale produzione, stoccaggio, distribuzione, ecc.

Che cosa intendo con questo?

Facciamo un esempio pratico ma inventato. Immaginate di trovare una nuova fonte energetica che possa essere utilizzata per alimentare le automobili. Questa risorsa rende la vostra macchina assolutamente non inquinante e costa 1/10 della benzina. Bene, annunciate la vostra scoperta su internet e immediatamente si formerà un esercito di internauti pronti a parlare della vostra genialata e del fatto che la ricerca, insieme con qualche burocrate in giacca, cravatta e occhiali scuri, vi sta ostacolando. Scommetto che questa storiella ve ne ricorda tante altre sentite in questi anni. Dov’è il problema? Semplice, anche se il nostro carburante costa poco e non inquina, come si produce? Dove si estrae? Se per produrre questo carburante dovete utilizzare carbone, oli o elementi chimici che produrrebbero un effetto sull’atmosfera peggiore di quella dell’uso del petrolio, la vostra invenzione sarebbe ancora molto conveniente? Direi proprio di no.

Bene, questo è quello che vorrei far capire. Ogni qual volta si parla di qualcosa legato all’energia e all’inquinamento, dovete sempre mettere in conto tutti gli aspetti legati a quella determinata risorsa. Esempio pratico? I pannelli solari producono energia dalla fonte rinnovabile per eccellenza, il Sole. Nessuno però vi racconta mai dei costi di produzione dei pannelli o, soprattutto, di quelli di smaltimento dei pannelli ormai esausti. Tenendo conto di questi fattori, si deve ridimensionare molto il vantaggio ottenuto con l’uso di pannelli commerciali. Per carità, non voglio dire che questa soluzione debba essere scartata. Il mio pensiero vuole solo mostrare gli altri aspetti che spesso, soprattutto tra i sostenitori di una tecnologia, vengono completamente taciuti.

Perdonate questa mia lunga introduzione, ma quanto detto è, a mio avviso, importante per inquadrare al meglio la situazione.

Tornando ora al discorso idrogeno, come forse avrete letto, un team di ricercatori del CNR, per essere precisi della sezione di Firenze, ha trovato un nuovo processo di produzione dell’idrogeno che riesce a sfruttare i cosiddetti oli rinnovabili.

Perché è così interessante questa notizia? Alla luce di quanto detto sopra, ad oggi, esistono due modi principali di produzione dell’idrogeno, entrambi con criticità molto importanti. Il primo metodo di produzione consiste nell’estrazione dell’idrogeno dal metano. Per poter avviare il processo è però necessario ossigenare l’ambiente. In questo caso, la produzione di idrogeno è accompagnata da quella di anidride carbonica. Risultato? La produzione di CO2, come è noto, è da evitare per le conseguenze sull’ambiente. Vedete come le considerazioni iniziali ci consentono di fare ora un’analisi critica dell’intero processo?

Il secondo metodo possibile per la produzione dell’idrogeno è semplicemente basato sull’elettrolisi dell’acqua, cioè nella scomposizione di questa fonte nota e ampiamente disponibile in idrogeno e ossigeno. Quale sarebbe ora il rovescio della medaglia? Per fare l’elettrolisi dell’acqua occorre fornire molta energia, energia che deve ovviamente essere messa in conto quando si calcola il rendimento della risorsa. Esempio pratico, se per innescare l’elettrolisi utilizzate energia prodotta da fonti rinnovabili, questo contributo inquinante deve essere contabilizzato e l’idrogeno non è più così pulito. Oltre al problema del costo energetico di produzione, nel caso dell’elettrolisi si deve considerare anche il fattore sicurezza. Idrogeno e ossigeno vengono prodotti ad alte pressioni. Se, per puro caso, i due elementi vengono in contatto tra loro, si crea una miscela fortemente esplosiva.

Alla luce di quanto detto, credo che ora sia più chiaro a tutti il perché, escluso il discorso economico legato al petrolio, ancora oggi la futuribile economia dell’idrogeno ancora stenta a decollare.

Bene, quale sarebbe allora questo metodo made in Italy che i ricercatori del CNR hanno inventato? Come anticipato, questo sistema di produzione sfrutta gli alcoli rinnovabili. Credo che tutti abbiamo bene in mente cosa sia un alcol, perché però parliamo di rinnovabili? Detto molto semplicemente, si tratta degli alcoli, glicerolo, metanolo, ecc., prodotti dalle biomasse, quindi sfruttabili, rinnovabili e anche assolutamente diffuse.

Come funziona questo metodo?

Come noto alla chimica, rompere la molecola d’acqua in presenza di alcoli richiede molta meno energia rispetto a quella necessaria in presenza di sola acqua. Nessuno però, fino ad oggi, aveva pensato di sfruttare questa evidenza per la produzione di idrogeno. La vera innovazione di questo processo è nell’aggiunta di elettrodi nanostrutturati ricoperti di palladio che fungono da catalizzatori per il processo e raccolgono l’idrogeno prodotto nella reazione. A questo punto, immergendo gli elettrodi in una soluzione acquosa di alcoli è possibile rompere la molecola di acqua producendo idrogeno, evitando la formazione di ossigeno libero e, soprattutto, risparmiando il 60% dell’energia rispetto all’elettrolisi.

Come annunciato anche dagli stessi ricercatori, questo sistema potrà servire in un primo momento per la produzione di batterie portatili in grado di fornire energia in luoghi isolati e, a seguito di ulteriori ricerche e perfezionamenti, potrà essere sfruttato anche per la realizzazione di generatori da qualche KWh fino a potenze più alte.

Apro e chiudo parentesi, non per essere polemico ma per mostrare l’ambito nel quale molto spesso le ricerche si svolgono. Il gruppo di ricerca è riuscito a trovare i finanziamenti per i suoi studi perché al progetto hanno partecipato alcuni enti privati finanziatori, tra cui il credito cooperativo di Firenze.

Solo per concludere, e giusto per ricalcare nuovamente il fatto che la ricerca non si è dimenticata dell’idrogeno, anche a livello governativo, nelle direttive per l’obiettivo 2020 è stato imposto un target di 45KWh per la produzione di 1 Kg di idrogeno. Obiettivo considerato futuribile fino ad oggi ma che richiedeva ricerca aggiuntiva sui sistemi di produzione. Bene, il metodo inventato dal CNR richiede soltanto 18.5KWh per produrre 1 Kg di idrogeno. Direi che questo rende sicuramente il processo economicamente vantaggioso e apre finalmente le porte a un utilizzo, che sarà sempre e comunque graduale, di questa risorsa nella vita di tutti i giorni.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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I segreti delle ragnatele

In questi giorni per ben due volte ho sentito parlare di ragnatele, sentendo queste opere utilizzate come metafore. Proprio da qui, mi e’ venuta la curiosita’ di scrivere un articolo specifico su questo argomento, noto a tutti nel senso stretto del termine, ma forse non troppo specificatamente dal punto di vista ingegneristico.

Come e’ noto, le ragnatele vengono create per lo scopo principale di procurare cibo. Gli insetti restano infatti intrappolati sulle tele fornendo ottimi spuntini ai ragni. Oltre a questa funzione vitale, solo pochi giorni fa avevamo parlato di un altro fenomeno:

– Quando gli angeli perdono i capelli

Come visto, le ragnatele possono essere utilizzate anche per le migrazioni dei ragni, che si lasciano trasportare insieme alle loro tele dal vento, riusciendo a percorrere anche tratti molto lunghi senza fatica.

Da cosa sono composte le ragnatele?

Biologicamente, la seta viene prodotta da speciali ghiandole dette filiere. Il filo e’ ricco di catene di aminoacidi tra cui glicina, serina e alanina la cui composizione puo’ leggermente variare in base alla specie. All’interno delle filiere, la seta e’ ovviamente in forma liquida e solidifica non appena fuoriesce dal ragno.

Per essere precisi, ci sono due tipologie di seta che vengono utilizzate per preparare una tela. La prima e’ appicicosa e serve per intrappolare gli insetti. Se vogliamo, questa offre solo il materiale di cattura. Ben piu’ interessante e’ la cosiddetta seta dragline, che costituisce invece l’elemento strutturale della ragnatela.

Come viene costruita la ragnatela?

Ovviamente, in base al punto in cui si deve operare, ci saranno procedure leggermente diverse. Come sappiamo bene, ci sono ragnatele angolari, orizzontali, verticali, ecc. In tutte queste strutture, troviamo pero’ fili radiali e fili circolari, con funzioni diverse. I punti piu’ importanti della tela stessa, sono ovviamente quelli di ancoraggio dei fili alla superficie.

Le ragnatele sono da sempre sudiate nel campo dei materiali proprio grazie alle loro stupefacenti caratteristiche di resistenza. Come anticipato, la prima proprieta’ fondamentale e’ da ricercarsi proprio nella dragline. Per darvi un’idea, il carico di rottura di questa seta, cioe’ la pressione da esercitare per spezzare un filo, e’ paragonabile a quella dei migliori acciai sul mercato. Se pensiamo che pero’ questo materiale ‘e molto meno denso dell’acciaio, abbiamo dei carichi di rottura normalizzati alla densita’ che rendono la dragline fino a 5 volte piu’ resistente dell’acciaio. Proprio questa straordinaria proprieta’ ha richiamato molti studi sulle ragnatele appunto per imitare la natura nella ricerca di materiali sempre piu’ resistenti o in grado di resistere a carichi elevati.

Come e’ noto, ingegneristicamente, per costruire una struttura con determinate qualita’ non basta utilizzare materiali specifici, anche la struttura stessa deve essere studiata per lo scopo. Cosa significa questo? Anche la costruzione delle ragnatele avviene con criteri specifici e che rendono queste opere straordinarie.

Come evidenziato da studi e simulazioni nanometriche fatte, una tela di ragno ha la capacita’ di essere perturbata non linearmente con un carico. Questo comportamento e’ opposto a quello che normalmente avviene in natura. Facciamo un esempio per capire meglio. Se abbiamo un problema ad un ginocchio, possiamo ugualmente camminare ma con il rischio che, a causa del precario equilibrio, anche la colonna vertebrale possa subire danni. La ragnatela si comporta invece in modo opposto. Se, per qualche motivo, una parte di tela si rompe o cede, la struttura e’ realizzata in modo da non compromettere la funzionalita’ del complesso. Poiche’ la produzione di seta e’ un processo molto dispendioso per il ragno, questo comportamento consente di poter recuperare la tela senza dover ricominciare da capo.

Inoltre, la seta gode di ottime proprieta’ elastiche. Proprio questa caratteristica fa si che dopo la cattura di un insetto, la struttura entri in vibrazione facendo capire al ragno che la cena e’ pronta.

Come anticipato, le ragnatele sono da sempre studiate dagli esperti non solo per carpire i segreti della materia prima utilizzata ma anche per emulare la struttura per l’ottimizzazione dei punti di ancoraggo di ponti sospesi, sopraelevate, ecc. Come osservato innumerevoli volte, una tela di ragno e’ in grado di resistere addirittura alla violenza di un uragano.

Concludendo, le ragnatele sono assolutamente uno spettacolo di natura. Osservare questi manufatti ci consente di capire molte cose sia dal punto di vista chimico sia per le caratteristiche ingegneristiche delle strutture e delle tele utilizzate. Come visto, le ragnatele presentano doti meccaniche molto migliori di quelle dei materiali attualmente utilizzati nelle costruzioni. Sicuramente, osservare la natura ci puo’ consentire di comprendere al meglio le soluzioni utilizzate da specie animali, ben piu’ antiche dei nostri attuali edifici.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.