LIQUEFAZIONE

Le molecole di H2 sono costituite da due elettroni e due protoni; la combinazione tra i 2 spin elettronici porta alla formazione del legame molecolare solamente se gli spin sono antiparalleli. Ciò porta all’esistenza di 2 differenti tipi di molecole di H2 a seconda del loro spin nucleare totale (I= 0 con spin nucleare antiparallelo e I= 1 con spin nucleare parallelo). Quando I= 0 l’idrogeno viene indicato con “para”, mentre quando I= 1 viene indicato con “orto”. Via via che la temperatura aumenta e arriva ad essere circa la temperatura ambientale, il 25% dell’idrogeno si trova nella forma para, mentre il 75% in quella orto. Se l’ idrogeno non viene opportunamente trattato e viene riposto normalmente in un recipiente per lo stoccaggio, l’entalpia di conversione tra le due forme sarà rilasciata nel recipiente e causerà l’evaporazione dell’idrogeno liquido. La conversione dalla forma orto a quella para può essere catalizzata da superfici attive (carbone attivo) e da specie paramagnetiche (ossidi di cromo e gadolinio); in questo modo gli spin nucleari possono convertirsi senza causare la rottura del legame H-H. La densità dell’idrogeno liquido risulta molto più elevata (di un fattore 787) rispetto a quella del gas in condizioni normali di temperatura e pressione. In questo caso, considerando che il contenitore non deve sopportare pressioni elevate, e quindi può non essere molto massivo (l’isolamento termico, in generale, non comporta materiali di massa specifica elevata), si può raggiungere agevolmente un rapporto in peso che soddisfi i limiti imposti dal DOE (6.5%). La tecnologia è stata ampiamente sviluppata con le imprese spaziali (NASA, ESA) ed è stato accumulato un bagaglio di conoscenze sufficientemente elevato da considerare l’idrogeno liquido come un sistema abbastanza familiare. L’idrogeno, in fase liquida, viene considerato molto interessante per il trasporto su lunghe distanze e come combustibile per aerei e razzi. La liquefazione dell’idrogeno comporta una spesa energetica pari al 30-40% del contenuto energetico intrinseco del liquido. Il più semplice metodo di liquefazione dell’idrogeno è il ciclo di espansione Joule-Thompson o ciclo linde. Nuovi processi di liquefazione che potrebbero portare ad un dimezzamento di questi valori sono considerati fattibili. Una volta liquefatto, l’idrogeno deve essere conservato ad una temperatura prossima alla sua temperatura di ebollizione (-253 °C), nascono quindi problemi non indifferenti di isolamento termico. Infatti, qualsiasi passaggio di calore attraverso le pareti che contengono il liquido causa l'evaporazione di una parte dell'idrogeno con conseguente perdita di gas e questo, in definitiva, si riflette in una perdita di efficienza del sistema. L'impiego di contenitori criogenici, ad alto isolamento termico, può attenuare il problema, ma mai annullarlo. Dal momento che le perdite di calore possono avvenire soltanto attraverso le pareti del contenitore, questo deve essere progettato in maniera da ridurre al massimo la propagazione del calore per conduzione, convezione ed irraggiamento, Tali contenitori sono quindi progettati in modo da minimizzare qualsiasi contatto termico, ovvero utilizzando materiali a bassa conducibilità termica, e sono tutti costituiti da un doppio rivestimento il cui interno è vuoto per impedire il passaggio di calore per conduzione o convezione. Per prevenire l'irraggiamento diretto di calore, tra la parete interna ed esterna del contenitore vengono generalmente utilizzati sottili film riflettenti a base di plastica ed alluminio. Dal momento che le perdite di calore sono commisurate alle dimensioni della superficie totale, la maggior parte dei contenitori per idrogeno liquido hanno forma sferica. Infatti, tra le forme solide, quest’ultima è caratterizzata dalla più bassa superficie per unità di volume. D’altra parte, occorre considerare che i contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la loro facilità ed economicità di costruzione. Inoltre, appare più efficace l’utilizzo di grandi contenitori. Infatti, al crescere del diametro del contenitore (d) il volume aumenta come d3 mentre la superficie aumenta come d2. Pertanto, superato un certo valore minimo, il volume aumenta più velocemente della superficie esterna per cui contenitori più grandi, in proporzione, implicano minori perdite per trasferimento di calore. Riguardo a questa tecnologia, il costo operativo maggiore è quello dovuto all'energia spesa per la compressione del gas (necessaria per la liquefazione) e per la conservazione del liquido (includendo i costi necessari alla manutenzione dei dei sistemi di sicurezza che impediscono il formarsi di pericolose sovrapressioni). Esistono dei recipienti chiamati Dewar costituiti da doppie pareti isolate termicamente in cui le perdite per l’evaporazione sono del 0.4% al giorno per recipienti di 50 m, 0.2% per 100 m e 0.06% per 20000 m. Vale la pena sottolineare che recentemente, LINDE e BMW hanno realizzato un serbatoio per idrogeno liquido, installabile su autovetture, in grado di conservare l’idrogeno liquido fino a 12 giorni.

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