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Idrogeno, mobilità elettrica e metalli critici
La transizione energetica: impatto dei materiali critici nella scelta dei vettori energetici
Giuseppe Bellussi, AIDIC - AIDIC - Associazione Italiana Di Ingegneria Chimica
- L'idrogeno gassoso come vettore energetico
- La mobilità elettrica
- I metalli critici
- Le energie rinnovabili
- Conclusioni
La pressione esercitata dal timore per il cambiamento climatico sta accelerando le azioni per la riduzione delle emissioni di CO2 e la sostituzione delle fonti fossili con fonti rinnovabili. In questo ambito si colloca anche la scelta di vettori energetici più compatibili con l'adozione di fonti energetiche rinnovabili.
Le principali fonti rinnovabili, eolico e fotovoltaico forniscono energia in modo incostante, quindi l'adozione di queste fonti richiede l'utilizzo di sistemi di stoccaggio come le batterie al Litio. Anche l'utilizzo dei vettori energetici maggiormente candidati a sostenere la mobilità, cioè elettrico e idrogeno hanno alcune importanti limitazioni che potrebbero renderli non così pervasivi come si sta generalmente assumendo.
In questa nota, derivata dai position papers di AIDIC sui metalli critici e sull'uso del metanolo come vettore energetico, verranno evidenziate le principali criticità per l'utilizzo di idrogeno ed elettricità nei trasporti e questo ci porterà al tema dei materiali critici.
In Fig. 1 sono riportate le affermazioni antitetiche espresse da Elon Musk e da Akio Toyoda, rispettivamente contro l'idrogeno l'uno e contro la mobilità elettrica l'altro. È chiaro che entrambi devono avere avuto delle ragioni per fare queste affermazioni. Vediamo quali possono essere.
L'idrogeno gassoso come vettore energetico
Partiamo dall'analisi delle conseguenze sull'uso dell'idrogeno come vettore energetico. L'attrattività dell'idrogeno deriva da due fattori: la sua combustione, per generare energia, produce come sottoprodotto solo vapore d'acqua e la sua densità energetica per massa, cioè l'energia ottenibile per peso di idrogeno è molto alta.
Per contro l'idrogeno deve scontare un grande problema, cioè la sua densità energetica per volume: l'idrogeno è un gas molto rarefatto e per ottenere delle quantità in peso significative, dobbiamo comprimerlo ad alta pressione.
Il diagramma di Fig. 2 riporta la densità energetica in MJ per litro in funzione della pressione per il metano (linea rossa) e per l'idrogeno (linea blu), alla temperatura di 10 °C. A 70 bar (70 atm), che è la pressione di un metanodotto ad alta pressione (Metanodotto convenzionale, non il TAP che viaggia a 75 bar on-shore e 125 bar off-shore), il contenuto energetico del metano è di poco inferiore a 3 MJ/litro.
Per avere lo stesso contenuto energetico per litro, l'idrogeno deve essere pressurizzato a circa 346 bar. Le ultime automobili prodotte alimentate con gas metano compresso, avevano dei serbatoi pressurizzati a 240 bar. A 10 °C e 240 bar il contenuto energetico del metano è vicino a 10 MJ/litro.
Come si può vedere dal diagramma di Fig. 2 (Linea grigia), per avere lo stesso contenuto energetico l'idrogeno dovrebbe essere compresso ben oltre i 1000 bar. La nuova Toyota Mirai, per assicurare una autonomia di 650 Km, è stata dotata di tre serbatoi di idrogeno pressurizzati a 700 atm per un volume totale di 146 litri.
È stata fatta l'ipotesi di utilizzare i metanodotti esistenti per trasportare miscele di metano e idrogeno. Poiché l'acciaio può essere permeabile all'idrogeno e subire a contatto con questo un infragilimento, si sono effettuate prove con miscele metano/idrogeno:90/10.
Se rivediamo il diagramma citato prima che riporta la densità energetica per litro in funzione della pressione e per semplicità facciamo qualche arrotondamento, vediamo che il metano a 70 bar ha un contenuto energetico di ca 3 MJ/litro, quindi al 90 % avrà un contenuto energetico di ca 2,7 MJ/litro.
A 70 bar l'idrogeno ha un contenuto energetico di ca 0,5 MJ/ litro, quindi al 10% avrà un contenuto energetico di ca 0,05 MJ/litro. La miscela metano/idrogeno:90/10 avrà quindi un contenuto energetico di ca 2,75 MJ/litro.
Poiché il gas si paga a metri cubi, l'utente finale riceverà meno energia a un prezzo più alto, perché come vedremo a breve i costi di compressione dell'idrogeno sono molto più elevati rispetto a quelli del gas naturale. A causa della bassa densità i costi di compressione dell'idrogeno sono molto elevati.
Come si può apprezzare dalla Fig. 3, a parità di contenuto energetico finale la quantità di energia necessaria per comprimere l'idrogeno è 5-10 volte maggiore rispetto a quella richiesta per la compressione del metano, alle pressioni indicate. Infine non dobbiamo trascurare i problemi relativi alla sicurezza.
È vero che essendo l'idrogeno un gas rarefatto, eventuali perdite accidentali avvenute a bassa pressione, non danno luogo esplosioni o incendi. Quando però il gas è compresso ad elevate pressioni, il rilascio accidentale può avvenire con incendio o esplosione.
Questi eventi accidentali sono potenzialmente molto pericolosi poiché la fiamma di idrogeno è molto più veloce della fiamma di idrocarburi e a differenza di questa è invisibile (Riferimento 6). Per questi motivi, non sarà facile diffondere estensivamente l'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico.
La mobilità elettrica
Per quanto esposto fino ad ora, sembrano chiari i motivi della critica citata nell'introduzione, che Elon Musk ha fatto sull'utilizzo dell'idrogeno gassoso come vettore energetico. Però anche Akio Toyoda aveva delle buone motivazioni per criticare un utilizzo estensivo della mobilità elettrica.
Le criticità maggiori nell'utilizzo di veicoli elettrici per il trasporto sono legate all'utilizzo delle batterie al Litio. In sintesi, queste batterie sono costituite da due elettrodi: l'elettrodo positivo a base di ossidi di Cobalto (o di Manganese) dopati con Litio e l'elettrodo negativo a base di Grafite.
La conduzione elettrica è assicurata da un mezzo liquido (elettrolita), costituito generalmente dal sale LiPF6 (esafluorofosfato di litio) in soluzione all'interno di una miscela di etilen-, propilen-, o dimetil- carbonato o tetraidrofurano. Le batterie agli ioni di Litio sono oggi le più efficienti per vari motivi:
- Hanno un'elevata densità energetica dovuta alle proprietà del litio stesso e ai materiali utilizzati nella costruzione della batteria.
- Il litio è un elemento molto leggero e altamente reattivo che può immagazzinare una grande quantità di energia nei suoi legami atomici. Ciò significa che una batteria agli ioni di litio può immagazzinare più energia per unità di peso o volume rispetto ad altri tipi di batterie.
- I materiali catodici e anodici utilizzati nelle batterie agli ioni di litio sono altamente efficienti nell'immagazzinare e rilasciare gli ioni di litio durante i cicli di carica e scarica. Questi materiali sono tipicamente costituiti da ossidi o fosfati di metalli di transizione, che possono ospitare un'alta concentrazione di ioni di litio nella loro struttura cristallina.
- L'uso di un elettrolita non acquoso nelle batterie agli ioni di litio consente una tensione più elevata e una maggiore densità di energia rispetto agli elettroliti acquosi utilizzati in altri tipi di batterie.
Nel complesso, la combinazione delle proprietà uniche del litio e l'uso di materiali ad alta densità energetica nella costruzione della batteria consentono alle batterie agli ioni di litio di avere una densità energetica maggiore rispetto ad altri tipi di batterie.
I metalli critici
Il maggiore problema delle batterie al Litio risiede nella elevata quantità di metalli che richiedono. Ad esempio nel report della Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) "The role of critical minerals in Clean Energy Transition" (Riferimento 7) si riporta che mediamente per ogni veicolo elettrico sono utilizzati i materiali indicati nella Figura 4 che ammontano a circa 206 Kg per veicolo.
Se proviamo a moltiplicare i pesi derivati da questo diagramma per i veicoli oggi circolanti in Europa e nel Mondo e li confrontiamo con le riserve dei vari metalli, otteniamo la Tabella 1. Per elettrificare la mobilità europea ci sono riserve di metalli a sufficienza, anche se le richieste per alcuni metalli come cobalto e nichel sono molto importanti.
Se la soluzione della mobilità elettrica è rilevante per contenere il cambiamento climatico, questa non dovrà essere applicata solo in Europa ma a livello mondiale e come si può vedere dall'ultima colonna della tabella, questa soluzione porterebbe grandi criticità sulla disponibilità dei metalli.
Ma il problema dei metalli va considerato nella sua globalità. Le batterie al Litio, hanno altre importanti applicazioni al di fuori dei trasporti.
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che comprende anche il paragrafo sulle energie rinnovabili e le conclusioni.
Le principali fonti rinnovabili, eolico e fotovoltaico forniscono energia in modo incostante, quindi l'adozione di queste fonti richiede l'utilizzo di sistemi di stoccaggio come le batterie al Litio. Anche l'utilizzo dei vettori energetici maggiormente candidati a sostenere la mobilità, cioè elettrico e idrogeno hanno alcune importanti limitazioni che potrebbero renderli non così pervasivi come si sta generalmente assumendo.
In questa nota, derivata dai position papers di AIDIC sui metalli critici e sull'uso del metanolo come vettore energetico, verranno evidenziate le principali criticità per l'utilizzo di idrogeno ed elettricità nei trasporti e questo ci porterà al tema dei materiali critici.
In Fig. 1 sono riportate le affermazioni antitetiche espresse da Elon Musk e da Akio Toyoda, rispettivamente contro l'idrogeno l'uno e contro la mobilità elettrica l'altro. È chiaro che entrambi devono avere avuto delle ragioni per fare queste affermazioni. Vediamo quali possono essere.
L'idrogeno gassoso come vettore energetico
Partiamo dall'analisi delle conseguenze sull'uso dell'idrogeno come vettore energetico. L'attrattività dell'idrogeno deriva da due fattori: la sua combustione, per generare energia, produce come sottoprodotto solo vapore d'acqua e la sua densità energetica per massa, cioè l'energia ottenibile per peso di idrogeno è molto alta.
Per contro l'idrogeno deve scontare un grande problema, cioè la sua densità energetica per volume: l'idrogeno è un gas molto rarefatto e per ottenere delle quantità in peso significative, dobbiamo comprimerlo ad alta pressione.
Il diagramma di Fig. 2 riporta la densità energetica in MJ per litro in funzione della pressione per il metano (linea rossa) e per l'idrogeno (linea blu), alla temperatura di 10 °C. A 70 bar (70 atm), che è la pressione di un metanodotto ad alta pressione (Metanodotto convenzionale, non il TAP che viaggia a 75 bar on-shore e 125 bar off-shore), il contenuto energetico del metano è di poco inferiore a 3 MJ/litro.
Per avere lo stesso contenuto energetico per litro, l'idrogeno deve essere pressurizzato a circa 346 bar. Le ultime automobili prodotte alimentate con gas metano compresso, avevano dei serbatoi pressurizzati a 240 bar. A 10 °C e 240 bar il contenuto energetico del metano è vicino a 10 MJ/litro.
Come si può vedere dal diagramma di Fig. 2 (Linea grigia), per avere lo stesso contenuto energetico l'idrogeno dovrebbe essere compresso ben oltre i 1000 bar. La nuova Toyota Mirai, per assicurare una autonomia di 650 Km, è stata dotata di tre serbatoi di idrogeno pressurizzati a 700 atm per un volume totale di 146 litri.
È stata fatta l'ipotesi di utilizzare i metanodotti esistenti per trasportare miscele di metano e idrogeno. Poiché l'acciaio può essere permeabile all'idrogeno e subire a contatto con questo un infragilimento, si sono effettuate prove con miscele metano/idrogeno:90/10.
Se rivediamo il diagramma citato prima che riporta la densità energetica per litro in funzione della pressione e per semplicità facciamo qualche arrotondamento, vediamo che il metano a 70 bar ha un contenuto energetico di ca 3 MJ/litro, quindi al 90 % avrà un contenuto energetico di ca 2,7 MJ/litro.
A 70 bar l'idrogeno ha un contenuto energetico di ca 0,5 MJ/ litro, quindi al 10% avrà un contenuto energetico di ca 0,05 MJ/litro. La miscela metano/idrogeno:90/10 avrà quindi un contenuto energetico di ca 2,75 MJ/litro.
Poiché il gas si paga a metri cubi, l'utente finale riceverà meno energia a un prezzo più alto, perché come vedremo a breve i costi di compressione dell'idrogeno sono molto più elevati rispetto a quelli del gas naturale. A causa della bassa densità i costi di compressione dell'idrogeno sono molto elevati.
Come si può apprezzare dalla Fig. 3, a parità di contenuto energetico finale la quantità di energia necessaria per comprimere l'idrogeno è 5-10 volte maggiore rispetto a quella richiesta per la compressione del metano, alle pressioni indicate. Infine non dobbiamo trascurare i problemi relativi alla sicurezza.
È vero che essendo l'idrogeno un gas rarefatto, eventuali perdite accidentali avvenute a bassa pressione, non danno luogo esplosioni o incendi. Quando però il gas è compresso ad elevate pressioni, il rilascio accidentale può avvenire con incendio o esplosione.
Questi eventi accidentali sono potenzialmente molto pericolosi poiché la fiamma di idrogeno è molto più veloce della fiamma di idrocarburi e a differenza di questa è invisibile (Riferimento 6). Per questi motivi, non sarà facile diffondere estensivamente l'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico.
La mobilità elettrica
Per quanto esposto fino ad ora, sembrano chiari i motivi della critica citata nell'introduzione, che Elon Musk ha fatto sull'utilizzo dell'idrogeno gassoso come vettore energetico. Però anche Akio Toyoda aveva delle buone motivazioni per criticare un utilizzo estensivo della mobilità elettrica.
Le criticità maggiori nell'utilizzo di veicoli elettrici per il trasporto sono legate all'utilizzo delle batterie al Litio. In sintesi, queste batterie sono costituite da due elettrodi: l'elettrodo positivo a base di ossidi di Cobalto (o di Manganese) dopati con Litio e l'elettrodo negativo a base di Grafite.
La conduzione elettrica è assicurata da un mezzo liquido (elettrolita), costituito generalmente dal sale LiPF6 (esafluorofosfato di litio) in soluzione all'interno di una miscela di etilen-, propilen-, o dimetil- carbonato o tetraidrofurano. Le batterie agli ioni di Litio sono oggi le più efficienti per vari motivi:
- Hanno un'elevata densità energetica dovuta alle proprietà del litio stesso e ai materiali utilizzati nella costruzione della batteria.
- Il litio è un elemento molto leggero e altamente reattivo che può immagazzinare una grande quantità di energia nei suoi legami atomici. Ciò significa che una batteria agli ioni di litio può immagazzinare più energia per unità di peso o volume rispetto ad altri tipi di batterie.
- I materiali catodici e anodici utilizzati nelle batterie agli ioni di litio sono altamente efficienti nell'immagazzinare e rilasciare gli ioni di litio durante i cicli di carica e scarica. Questi materiali sono tipicamente costituiti da ossidi o fosfati di metalli di transizione, che possono ospitare un'alta concentrazione di ioni di litio nella loro struttura cristallina.
- L'uso di un elettrolita non acquoso nelle batterie agli ioni di litio consente una tensione più elevata e una maggiore densità di energia rispetto agli elettroliti acquosi utilizzati in altri tipi di batterie.
Nel complesso, la combinazione delle proprietà uniche del litio e l'uso di materiali ad alta densità energetica nella costruzione della batteria consentono alle batterie agli ioni di litio di avere una densità energetica maggiore rispetto ad altri tipi di batterie.
I metalli critici
Il maggiore problema delle batterie al Litio risiede nella elevata quantità di metalli che richiedono. Ad esempio nel report della Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) "The role of critical minerals in Clean Energy Transition" (Riferimento 7) si riporta che mediamente per ogni veicolo elettrico sono utilizzati i materiali indicati nella Figura 4 che ammontano a circa 206 Kg per veicolo.
Se proviamo a moltiplicare i pesi derivati da questo diagramma per i veicoli oggi circolanti in Europa e nel Mondo e li confrontiamo con le riserve dei vari metalli, otteniamo la Tabella 1. Per elettrificare la mobilità europea ci sono riserve di metalli a sufficienza, anche se le richieste per alcuni metalli come cobalto e nichel sono molto importanti.
Se la soluzione della mobilità elettrica è rilevante per contenere il cambiamento climatico, questa non dovrà essere applicata solo in Europa ma a livello mondiale e come si può vedere dall'ultima colonna della tabella, questa soluzione porterebbe grandi criticità sulla disponibilità dei metalli.
Ma il problema dei metalli va considerato nella sua globalità. Le batterie al Litio, hanno altre importanti applicazioni al di fuori dei trasporti.
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che comprende anche il paragrafo sulle energie rinnovabili e le conclusioni.
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Fonte: La Termotecnica maggio 2023
Settori: Ambiente, Automotive, Combustibili, Efficienza energetica industriale, Energia, Energy storage, GAS, Idrogeno, Mobilità Sostenibile, Rinnovabili, Smart City, Termotecnica industriale
Mercati: Aria e Gas, Trasporti e Automotive
