L'IDROGENO E LE ALGHE

L’idrogeno, elemento chimico di simbolo H e numero atomico 1, appartenente al gruppo IA  della tavola periodica, è un gas molto reattivo, incolore, inodore e insapore. Fu scoperto nel 1766 dal chimico britannico Henry Cavendish, come prodotto dell'azione dell'acido solforico sui metalli e come elemento costituente dell'acqua; nominato inizialmente "aria infiammabile" da Joseph Priestley, fu poi chiamato idrogeno dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier. Come molti elementi gassosi, l'idrogeno è diatomico (la molecola contiene due atomi), ma ad alte temperature si dissocia in atomi liberi.

Ha punto di ebollizione e di fusione più bassi di ogni altra sostanza, fatta eccezione per l'elio: solidifica a -259,2 °C e liquefa a -252,77 °C. Alla temperatura di 0 °C e alla pressione di 1 atmosfera, si presenta allo stato gassoso con densità 0,089 g/l..

Il peso atomico è 1,007. L'idrogeno liquido, ottenuto per la prima volta dal chimico britannico James Dewar nel 1898, è incolore e ha densità relativa 0,070.

Il gas idrogeno è una miscela di due forme diverse, l'orto idrogeno (con spin dei nuclei paralleli), che costituisce circa il 75% della miscela, e il para idrogeno (con spin anti paralleli). Ai punti di fusione e di ebollizione la composizione è leggermente diversa.

Esistono tre isotopi dell'idrogeno:il nucleo dell'idrogeno ordinario è composto da un solo protone; il deuterio, presente nel normale idrogeno per lo 0,02%, ha nucleo costituito da un protone e un neutrone, e ha quindi massa atomica 2; il trizio, isotopo radioattivo e instabile, ha nucleo formato da un protone e due neutroni, e ha massa atomica 3.

 L'idrogeno libero è presente solo in ridottissime quantità nell'atmosfera, ma dall'analisi degli spettri solari e stellari, risulta l'elemento più abbondante nell'universo. È presente in grandi quantità anche sulla Terra, in diversi composti, tra i quali il più importante è l'acqua,  della quale rappresenta l’11% in peso. È parte essenziale di tutti gli idrocarburi e di molte sostanze organiche. Inoltre tutti gli acidi contengono idrogeno.

Un kg di idrogeno contiene la stessa quantità di energia di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina. L’idrogeno brucia nell’aria a concentrazioni volumetriche comprese nel range del 4-75% (il metano brucia in un range del 5,3-15% e il propano del 2,1-9,5%).

 La più alta temperatura di ignizione dell’idrogeno pari a 2.318°C è raggiunta alla concentrazione volumetrica del 29 %, mentre, in un’atmosfera ricca di ossigeno, può raggiungere temperature di ignizione fino a 3.000°C (le temperature di iniezione più alte in aria per il metano sono 2.148°C per il metano e 2.385°C per il propano).

La minima energia di iniezione richiesta per una miscela stechiometrica combustibile/ ossigeno, è 0,02 Mj per l’idrogeno, 0,29 Mj per il metano e 0,26 Mj per il propano. Le temperature per la spontanea combustione dell’idrogeno, del metano e del propano sono 585°C, 540°C e 487°C rispettivamente.

La regione di esplosività per l’idrogeno e per il metano è compresa tra il 13-59% per il primo e tra il 6,3-14% per il secondo. Il range di esplosività dell’idrogeno è chiaramente molto più ampio, laddove il metano è già esplosivo a concentrazione molto più bassa.

 Il coefficiente di diffusione dell’idrogeno è pari a 0,61 cm²/s, mentre per il metano è 0,16 cm²/s. Pertanto l’idrogeno diffonde nell’aria più velocemente del metano o del vapore di benzina, e ciò costituisce un vantaggio in luoghi aperti, ma uno svantaggio in luoghi chiusi o scarsamente ventilati. L’idrogeno e il gas naturale tendono a salire velocemente essendo più leggeri dell’aria, mentre il propano e i vapori di benzina rimangono sul suolo essendo più pesanti.

BENEFICI AMBIENTALI

Bruciare idrogeno con aria in condizioni appropriate all’interno di motori a

combustione o turbine a gas determina una notevole riduzione delle emissioni. Le emissioni di ossido d’azoto aumentano esponenzialmente con la temperatura di combustione e dunque vengono limitate da un appropriato controllo del processo. Poiché l’idrogeno offre una maggiore flessibilità rispetto agli altri combustibili, lavorando a temperature più basse, vale a dire con eccesso di aria, si riducono le emissioni di NOx.

Le emissioni di particolati e zolfo sono pressoché nulle. L’uso di idrogeno nei sistemi di propulsione che utilizzano celle a combustibile, elimina tutti i problemi di impatto ambientale. L’unico coprodotto volatile che si ottiene nel processo di generazione di energia elettrica da idrogeno e ossigeno è l’acqua demineralizzata. Qualche problema di emissione di CO₂ si ha nel processo di reforming del metanolo per la produzione di idrogeno. Se nelle celle a combustibile si lavora in condizioni di alta temperatura, è stato dimostrato che le emissioni sono 100 volte inferiori a quelle registrate con le convenzionali power stations.

 G.N.