Utilizzo di alluminio e acqua per produrre combustibile a idrogeno pulito, quando e dove è necessario

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Mentre il mondo lavora per abbandonare i combustibili fossili, molti ricercatori stanno studiando se l’idrogeno pulito possa svolgere un ruolo più ampio in settori che vanno dai trasporti e dall’industria agli edifici e alla produzione di energia. Potrebbe essere utilizzato in veicoli a celle a combustibile, caldaie per la produzione di calore, turbine a gas per la generazione di elettricità, sistemi per immagazzinare energia rinnovabile e altro ancora.

Ma l’uso dell’idrogeno non genera emissioni di carbonio, cosa che normalmente avviene. Oggi, quasi tutto l’idrogeno viene prodotto utilizzando processi basati sui combustibili fossili che insieme generano oltre il 2% di tutte le emissioni globali di gas serra. Inoltre, l’idrogeno viene spesso prodotto in un luogo e consumato in un altro, il che significa che il suo utilizzo presenta anche sfide logistiche.

Una reazione promettente

Un’altra opzione per produrre idrogeno proviene da una fonte forse sorprendente: far reagire l’alluminio con l’acqua. L'alluminio metallico reagisce facilmente con l'acqua a temperatura ambiente per formare idrossido di alluminio e idrogeno. Questa reazione in genere non avviene perché uno strato di ossido di alluminio riveste naturalmente il metallo grezzo, impedendogli di entrare direttamente in contatto con l'acqua.

L’utilizzo della reazione alluminio-acqua per generare idrogeno non produce alcuna emissione di gas serra e promette di risolvere il problema dei trasporti per qualsiasi luogo con acqua disponibile. Basta spostare l'alluminio e poi farlo reagire con acqua sul posto. "Fondamentalmente, l'alluminio diventa un meccanismo per immagazzinare l'idrogeno, un meccanismo molto efficace", afferma Douglas P. Hart, professore di ingegneria meccanica al MIT. "Utilizzando l'alluminio come fonte, possiamo 'immagazzinare' l'idrogeno a una densità 10 volte maggiore rispetto a quando lo immagazzinassimo semplicemente come gas compresso."

Due problemi hanno impedito all’alluminio di essere utilizzato come fonte sicura ed economica per la produzione di idrogeno. Il primo problema è garantire che la superficie dell'alluminio sia pulita e disponibile a reagire con l'acqua. A tal fine, un sistema pratico deve includere mezzi per modificare innanzitutto lo strato di ossido e quindi impedirne la riformazione man mano che la reazione procede.

Il secondo problema è che l’estrazione e la produzione dell’alluminio puro richiede un’elevata intensità energetica, quindi qualsiasi approccio pratico richiede l’utilizzo di rottami di alluminio provenienti da varie fonti. Ma i rottami di alluminio non sono un materiale di partenza facile. Solitamente si presenta sotto forma di lega, il che significa che contiene altri elementi che vengono aggiunti per modificare le proprietà o le caratteristiche dell'alluminio per usi diversi. Ad esempio, l'aggiunta di magnesio aumenta la forza e la resistenza alla corrosione, l'aggiunta di silicio abbassa il punto di fusione e l'aggiunta di un po' di entrambi crea una lega moderatamente forte e resistente alla corrosione.

Nonostante le approfondite ricerche sull’alluminio come fonte di idrogeno, rimangono due domande chiave: qual è il modo migliore per prevenire l’adesione di uno strato di ossido sulla superficie dell’alluminio e in che modo gli elementi leganti in un pezzo di alluminio di scarto influiscono sulla quantità totale di idrogeno? generato e la velocità con cui viene generato?

"Se utilizzeremo l'alluminio di scarto per la generazione di idrogeno in un'applicazione pratica, dobbiamo essere in grado di prevedere meglio quali caratteristiche di generazione di idrogeno osserveremo dalla reazione alluminio-acqua", afferma Laureen Meroueh PhD '20 , che ha conseguito il dottorato in ingegneria meccanica.

Poiché i passaggi fondamentali della reazione non sono ben compresi, è difficile prevedere la velocità e il volume con cui si forma l'idrogeno dai rottami di alluminio, che possono contenere diversi tipi e concentrazioni di elementi leganti. Così Hart, Meroueh e Thomas W. Eagar, professore di ingegneria dei materiali e gestione ingegneristica presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT, hanno deciso di esaminare – in modo sistematico – gli impatti di questi elementi di lega sulla reazione alluminio-acqua. e su una tecnica promettente per prevenire la formazione dello strato di ossido interferente.