In che modo l'idrogeno può aiutare a immagazzinare elettricità su larga scala

Considerando l'esaurimento delle risorse fossili e il riscaldamento globale, l'uso di risorse energetiche rinnovabili come turbine eoliche, fotovoltaico, biomasse, energia idroelettrica e geotermica sembra essere l'alternativa più promettente ai combustibili fossili in futuro. ed elettricità più efficiente.

In Francia, 13,6% dell'energia prodotta proviene dalle fonti energetiche rinnovabili sopra menzionate, di cui l'idroelettrico rappresenta la quota maggiore, pari a circa il 9,8%. Confrontando, In tutto il mondo, l'11,4% dell'energia proviene da fonti energetiche rinnovabili, ma la produzione energetica resta dominata dalle risorse fossili, circa l'84%. Ecco perché è fondamentale “decarbonizzare” il nostro attuale sistema di produzione di energia attraverso l'integrazione di fonti energetiche a basse emissioni di carbonio.

Disponibilità di fonti energetiche rinnovabili

Il principale svantaggio delle fonti energetiche rinnovabili di tipo eolico e fotovoltaico è la loro dipendenza dalle condizioni meteorologiche, che porta ad una discontinuità nella produzione di energia. Tale discontinuità produttiva ne compromette l'integrazione nella rete elettrica per poter soddisfare in tempo reale il fabbisogno energetico.

In questo contesto, per far fronte ai fenomeni intermittenti di queste fonti energetiche, l'accumulo di energia gioca un ruolo primordiale. Consente infatti di immagazzinare l'energia in eccesso nei periodi di bassa richiesta energetica e di ripristinarla in caso di elevata richiesta energetica, al fine di sopperire alla mancata produzione di tali fonti energetiche rinnovabili.

Sfortunatamente, va notato che l'elettricità è difficile da immagazzinare in grandi quantità nella sua forma (sotto forma di elettricità): deve essere convertita in un'altra forma (energia chimica o meccanica per esempio) per consentire l'archiviazione.

Quali tecnologie per immagazzinare energia elettrica?

Attualmente esistono diversi sistemi per l'accumulo dell'energia elettrica: accumulo “a gravità” della massa d'acqua, dove l'acqua viene pompata nella diga quando l'elettricità è in eccesso e viene recuperata l'energia così immagazzinata facendo girare le turbine; stoccaggio “termodinamico” con sistemi di accumulo ad aria compressa, dove l'aria viene compressa in presenza di elettricità in eccesso e l'energia immagazzinata viene recuperata mediante la rotazione delle turbine; accumulo di energia cinetica con "volani", che ruotano con poca o nessuna perdita di energia durante l'accumulo; e lo stoccaggio “elettrochimico” con batterie, di cui ne esistono di diversi tipi (sodio-zolfo, litio-ione, sodio-ione, grafene), o con elettrolizzatori, dove l'elettricità viene immagazzinata sotto forma di idrogeno.

Sulla base di questi esempi, stoccaggio a gravità et termodinamica sono sistemi di accumulo maturi e ampiamente utilizzati con la capacità di immagazzinare grandi quantità di energia, superiori a 1000 megawattora.

In confronto, l'accumulo di energia cinetica con volani e l'accumulo elettrochimico tramite batterie (ioni di litio, sodio-zolfo) sono rivolti in particolare all'elettronica portatile, ai trasporti, ma anche alle energie rinnovabili, come il fotovoltaico. Enormi installazioni di batterie per immagazzinare l'elettricità prodotta da parchi eolici o solari sono già state implementate e rappresentano capacità di stoccaggio megawattwatt.

Altre tecnologie della batteria come batterie agli ioni di sodio et grafene sono ancora in fase di sviluppo e affronteranno alcune questioni attuali, tra cui l'ottimizzazione dei tempi di ricarica e della capacità di stoccaggio, nonché l'uso di materiali alternativi per evitare materiali tossici come il piombo e materiali pericolosi e dannosi per l'ambiente come il litio.

Stoccaggio di elettricità sotto forma di idrogeno: in fase di dispiegamento

Lo stoccaggio di sostanze chimiche sotto forma di idrogeno si presenta come una soluzione interessante e promettente per lo stoccaggio di energia su larga scala da un lato e per i veicoli elettrici dall'altro. Infatti, rispetto alle attuali tecnologie di accumulo elettrico come le batterie, l'idrogeno ha una densità energetica specifica molto elevata: circa 120 megajoule per chilogrammo.

L'essence ou le diesel sont d'autres méthodes de stockage « chimique » de l'énergie qui possèdent une forte densité énergétique massique, mais leur combustion dégage des gaz à effet de serre tandis que la combustion de l'hydrogène ne rejette que de l'acqua. Tuttavia, l'idrogeno è un gas leggero, caratterizzato da una bassa densità energetica in volume (circa 10,8 megajoule per metro cubo), che lo rende meno favorevole. al suo stoccaggio e trasporto. Per superare questo problema, l'idrogeno può essere compresso in forma gassosa pressurizzata (circa 700 bar), in forma liquida (alla temperatura di - 253°C) o in forma solida a bassa pressione (grazie all'utilizzo di materiali in grado di assorbire idrogeno) come gli idruri metallici.

L'idrogeno può essere prodotto attraverso l'elettrolisi dell'acqua, che prevede l'utilizzo di elettricità (prodotta idealmente da fonti energetiche rinnovabili) per separare l'acqua pura (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2).

Panoramica delle applicazioni basate sull'elettrolisi dell'acqua alimentata da fonti energetiche rinnovabili.
Damien Guilbert, Autore previsto

Attualmente, lo stoccaggio di elettricità sotto forma di idrogeno è nel bel mezzo di una fase di dimostrazione e sperimentazione con molti numerose piattaforme sperimentali in Germania, Canada, Danimarca, Francia, Norvegia, Thailandia e Nuova Zelanda. Sono previste diverse applicazioni.

Tra questi, lo stoccaggio di elettricità nell'idrogeno consente di contribuire alla decarbonizzazione alcuni settori responsabili del riscaldamento globale come il trasporto aereo, marittimo e terrestre.

Veicoli elettrici personali (Kangoo ZE Hydrogen, Toyota Mirai, Hyundai Nexo e Honda Clarity) e treni (Coradia iLint di Alstom in esecuzione in Germania) che funzionano a idrogeno sono già utilizzati. In questo tipo di veicolo, i serbatoi di idrogeno sono a bordo per alimentare una cella a combustibile, consentendo di trasformare l'idrogeno in energia elettrica. Per ottimizzare la vita della cella a combustibile ed estendere l'autonomia del veicolo, sono presenti anche batterie elettriche (spesso agli ioni di litio). Sono in corso ricerche per alimentare anche il navi e avions nell'idrogeno.

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Un'altra applicazione dello stoccaggio dell'idrogeno è il concetto di "Conversione dell'energia elettrica in gas" consiste nel convertire l'elettricità rinnovabile in eccesso in idrogeno e quindi l'idrogeno in gas naturale "verde". Il processo di metanazione viene utilizzato per questo. Il gas naturale può quindi essere iniettato nei gasdotti e negli impianti sotterranei esistenti e utilizzato secondo necessità. Tuttavia, l'utilizzo dell'anidride carbonica nel processo di metanazione pone problemi in termini di decarbonatazione: resta fondamentale catturare e migliorare le emissioni di anidride carbonica dell'industria per rendere questo processo più rispettoso dell'ambiente.

Inoltre, ma stiamo uscendo dallo stoccaggio dell'elettricità per entrare nel mondo della produzione industriale, l'idrogeno può essere utilizzato in vari processi industriali come la chimica (sintesi dell'ammoniaca, produzione di metanolo), la metallurgia (lavorazione dei metalli, acciai al carbonio) e l'elettronica ( produzione di semiconduttori).

Damien Guilbert, Docente Senior in Ingegneria Elettrica, Université de Lorraine

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons.

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