Elettricità senza emissioni grazie all’ammoniaca: rivoluzione energetica

L’idrogeno è considerato una delle promesse più importanti nella transizione energetica globale. Non solo permette di generare elettricità senza emissioni dannose per il clima, ma il suo utilizzo potrebbe anche ridurre drasticamente la dipendenza dai combustibili fossili. Tuttavia, il suo stoccaggio e trasporto presentano sfide tecniche significative. A causa della sua natura altamente volatile, l’idrogeno richiede serbatoi ad alta pressione o temperature criogeniche, il che complica notevolmente la sua logistica. Per superare questi ostacoli, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici (IKTS) hanno deciso di sfruttare l’ammoniaca come vettore alternativo dell’idrogeno.

L’ammoniaca: un vettore energetico strategico

L’ammoniaca (NH₃), una molecola composta da azoto e idrogeno, ha una lunga storia di utilizzo nell’industria chimica, in particolare nella produzione di fertilizzanti. Questo composto ha caratteristiche che lo rendono un candidato ideale come vettore dell’idrogeno, soprattutto per la sua maggiore facilità di immagazzinamento e trasporto rispetto al gas puro. “L’ammoniaca è stata utilizzata nell’industria chimica per decenni, ad esempio per produrre fertilizzanti, quindi ci sono processi consolidati e familiari per la manipolazione di questa sostanza. Tuttavia, deve ancora essere trattato con cautela. Come vettore di idrogeno, l’ammoniaca offre un’elevata densità energetica e allo stesso tempo è relativamente facile da immagazzinare e trasportare“, spiega la Prof.ssa Laura Nousch, ricercatrice del Fraunhofer IKTS.

Una svolta tecnologica: l’uso delle celle a combustibile ad alta temperatura

La soluzione proposta dai ricercatori è quella di utilizzare l’ammoniaca per produrre elettricità attraverso celle a combustibile ad alta temperatura (SOFC). Il processo, chiamato “cracking“, consiste nel scomporre l’ammoniaca in idrogeno e azoto, per poi convertire l’idrogeno in elettricità. Questo metodo innovativo non solo è privo di emissioni di CO₂, ma ha anche un’efficienza molto elevata. Il dimostratore sviluppato dal Fraunhofer IKTS consente di generare elettricità e calore in un sistema compatto, rendendo questa tecnologia adatta anche per piccole aziende o comunità che desiderano produrre energia pulita senza collegarsi a reti di distribuzione dell’idrogeno.

Come funziona il processo di conversione

Il ciclo di conversione dell’ammoniaca in elettricità è un processo affascinante e tecnologicamente avanzato. L’ammoniaca viene riscaldata a temperature di almeno 300°C in un apposito cracker, che la scinde in idrogeno (H₂) e azoto (N₂). Il gas di azoto può essere rilasciato in modo sicuro nell’atmosfera insieme al vapore acqueo, poiché entrambi sono innocui per l’ambiente. L’idrogeno, invece, viene condotto nelle celle a combustibile ad alta temperatura. All’interno delle celle, l’idrogeno scorre sopra l’anodo mentre l’aria passa sul catodo, generando una reazione elettrochimica che rilascia elettroni e produce elettricità. La reazione produce anche calore, il quale viene impiegato per mantenere la temperatura nel cracker o viene liberato come calore residuo che può essere utilizzato per riscaldare edifici.

La Prof.ssa Nousch descrive ulteriormente il funzionamento del sistema: “Il calore viene utilizzato per mantenere l’alta temperatura all’interno del cracker e viene anche rilasciato come calore di scarto. Quest’ultimo può quindi essere utilizzato per scopi come il riscaldamento degli edifici.”

Efficienza e versatilità del sistema

L’efficienza di questo sistema di celle a combustibile ad ammoniaca si attesta su un ottimo 60%, un valore comparabile a quello delle tecnologie basate sul gas naturale, ma con il vantaggio cruciale dell’assenza di emissioni di anidride carbonica. Le celle a combustibile SOFC sono anche robuste e di semplice manutenzione, adattandosi perfettamente a contesti industriali di piccole e medie dimensioni e a situazioni in cui la connessione a una rete di distribuzione dell’idrogeno è complessa o non ancora disponibile. Il sistema potrebbe anche essere impiegato su larga scala per l’alimentazione di navi e altre infrastrutture di trasporto.

Adattabilità e personalizzazione per esigenze specifiche

Uno degli aspetti più promettenti del progetto è la possibilità di personalizzare il sistema per soddisfare le specifiche esigenze dei clienti. Le celle a combustibile sono particolarmente sensibili alla temperatura: quanto più elevata è la temperatura nel cracker, tanto maggiore è la quantità di ammoniaca che si converte in idrogeno, migliorando la performance complessiva. “Tuttavia, i nostri test hanno dimostrato che le molecole di ammoniaca si scompongono completamente in idrogeno nella cella a combustibile ad alta temperatura. Questo può anche aumentare le prestazioni complessive del sistema“, afferma Nousch. Tale caratteristica apre la possibilità di regolare la gestione termica per ottimizzare il rendimento.

Nousch prosegue: “La progettazione mirata e la gestione termica intelligente sono combinate con altre modifiche ad aspetti come la potenza e le dimensioni delle pile di celle a combustibile. In questo modo, siamo in grado di ideare soluzioni personalizzate per la produzione di elettricità e calore rispettosa del clima, soprattutto per le piccole e medie imprese.”

Un potenziale game-changer per la transizione energetica

Il progetto sviluppato dal Fraunhofer IKTS rappresenta un passo avanti fondamentale nel campo della transizione energetica, soprattutto per quanto riguarda l’utilizzo dell’idrogeno. L’ammoniaca, con la sua elevata densità energetica e facilità di trasporto, potrebbe svolgere un ruolo di primaria importanza come vettore energetico per l’idrogeno, superando le sfide tecniche di stoccaggio e trasporto che questo gas presenta. Le celle a combustibile ad alta temperatura dimostrano che è possibile convertire l’ammoniaca in elettricità in modo efficiente e senza emissioni di CO₂, rispondendo sia alle esigenze di decarbonizzazione sia alla necessità di soluzioni energetiche flessibili.

Questo nuovo approccio potrebbe rivelarsi particolarmente utile per comunità isolate, piccole e medie imprese e settori dell’industria pesante, nonché per il settore navale, che ha necessità di sistemi di alimentazione indipendenti e rispettosi dell’ambiente.

La tecnologia di conversione dell’ammoniaca in idrogeno e poi in elettricità rappresenta una soluzione innovativa che potrebbe contribuire significativamente agli obiettivi di sostenibilità e decarbonizzazione, specialmente per quelle realtà che necessitano di sistemi energetici autonomi. Grazie alla sua robustezza e flessibilità, il sistema dimostrato dal Fraunhofer IKTS potrebbe diventare un punto di riferimento per l’energia del futuro, offrendo un’alternativa concreta all’uso diretto dell’idrogeno.

Se il progetto continuerà a dimostrare la sua efficacia e scalabilità, l’ammoniaca potrebbe presto diventare una delle risorse chiave per una transizione energetica globale, integrando e supportando le altre tecnologie emergenti nel settore delle energie rinnovabili.