L'impiego dell'idrogeno nei sistemi di locomozione. Stato dell'arte ed analisi tecnico economica.

Molti metalli e leghe sono in grado di assorbire in modo reversibile grandi quantità di idrogeno. La carica di idrogeno può essere utilizzata usando idrogeno molecolare gassoso oppure atomi di idrogeno provenienti da un elettrolita.

L’idrogeno molecolare è dissociato quando si trova adsorbito sulla superficie, mentre quando si ha il desorbimento l’idrogeno torna a ricombinarsi in H2. In pratica le molecole del gas si dissociano in atomi che si posizionano negli spazi interatomici del reticolo cristallino formato dagli atomi del metallo ed è possibile raggiungere, a parità di volume, densità di idrogeno superiori a quella dell’idrogeno liquido.

Solitamente il sistema si presenta come un serbatoio contenente il materiale metallico sotto forma di polvere, mentre nel caso di veicoli è costituito da cilindri lunghi e sottili pressurizzati.

Gli idruri metallici sono ottenuti con leghe di magnesio, alluminio, ferro o lantanio con all'interno dei composti (di nichel, vanadio, titanio, cromo, terre rare) in grado di assorbire idrogeno nello spazio interatomico.

Il processo di carica-rilascio è reversibile e si ottiene variando la pressione e fornendo o asportando calore al sistema. Inoltre, usando leghe con differenti composizioni, è possibile ottenere sistemi in grado di rilasciare l'idrogeno a differenti pressioni. Questa reazione permette di accumulare l'idrogeno allo stato solido all'interno di contenitori in cui è posto l'idruro metallico in polvere.

La necessità di polverizzare l'idruro si impone per massimizzare la superficie di assorbimento. I vantaggi dello stoccaggio in idruri metallici sono costituiti dalla bassa pressione di caricamento, circa 0,25÷10 MPa a seconda del materiale scelto, dalla elevata densità di energia in volume raggiungibile, circa 1÷1,5 kWh/l, e dall’elevato livello di sicurezza che il sistema permette di raggiungere. Gli idruri metallici possono raggiungere una densità volumetrica di idrogeno di 115 kg/m 3 , per esempio in LaNi5.

Lo svantaggio principale è il peso elevato che il dispositivo di accumulo presenta che, a parità di energia, è superiore a quello di un sistema a idrogeno compresso. A causa delle proprietà chimiche, il caricamento di un idruro è un processo esotermico e avviene aumentando la pressione del gas, mentre il rilascio dell’idrogeno avviene con somministrazione di calore all’idruro e diminuzione della pressione.

A seconda delle applicazioni, le pressioni e le temperature desiderate possono essere ottenute scegliendo una lega appropriata. Normalmente la cinetica dei processi, ad esempio la velocità di rilascio dell’idrogeno, viene controllata regolando la quantità di calore trasferito all’idruro. I fattori limitanti sono costituiti dalla bassa conduttività termica e dalla bassa permeabilità del letto di polvere metallica. I moderni serbatoi a idruro consistono di un contenitore, un filtro di particelle e un idruro fortemente impacchettato e sono dotati di superfici alettate per il riscaldamento e il raffreddamento.

Per la ricarica del serbatoio di idruro è necessario un compressore che assicuri la pressione richiesta, solitamente compresa tra i 30 e i 55 bar. Il tempo di rifornimento dipende dal numero di serbatoi, dalla percentuale di riempimento e dal tipo di letto di idruro utilizzato. Normalmente gli idruri metallici mostrano una cinetica di assorbimento/rilascio molto rapida e presentano tempi di rifornimento assai brevi. Quelli con la cinetica più lenta sono gli idruri a base di magnesio che sono anche quelli che raggiungono il maggiore assorbimento.

Normalmente gli idruri si dividono in idruri ad alta temperatura e idruri a bassa temperatura a seconda della temperatura di assorbimento/rilascio. Per quelli ad alta temperatura, la temperatura di rilascio varia tra i 150 e i 300 °C, mentre per quelli a bassa temperatura tra 20 e 90 °C. La capacità di accumulo è maggiore per gli idruri ad alta temperatura. Per gli idruri ad alta temperatura, l’intervallo in cui varia la pressione di assorbimento è 30÷55 bar, mentre quello della pressione di rilascio è 0,7÷10 bar.