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Idrogeno

Idrogeno

È il carburante delle stelle. Ma anche un combustibile con una grande densità energetica, che può non produrre emissioni ed è in grado di aiutarci a risolvere la sfida energetica del nostro pianeta. Ha un solo problema: produrlo non è così semplice. Ma lo sviluppo delle tecnologie per ottenerlo in modo pulito, con l’aiuto delle fonti rinnovabili, apre a un nuovo futuro.

Cos’è?

L’energia dell’universo

Tra i tanti elementi che compongono la materia, l’idrogeno è il più leggero e il più abbondante. Costituisce quasi il 90% della massa visibile dell’universo, per la maggior parte nella sua forma gassosa, costituita da una semplice molecola a due atomi (H2) che, in un’atmosfera ricca di ossigeno come quella terrestre, brucia in modo simile al metano o al gas di città. Tra i combustibili convenzionali, anzi, è quello con il massimo contenuto di energia per unità di peso, tre volte superiore a quello della benzina.

Ma l’idrogeno è anche il propellente di cui si alimentano le reazioni di fusione nucleare con cui bruciano le stelle. È da questo straordinario elemento, dunque, che si origina l’energia rinnovabile che ogni giorno la Terra riceve dal Sole. Inoltre, utilizzato nelle celle a combustibile, si combina con l’ossigeno per produrre energia elettrica e acqua. Per le sue caratteristiche, l’idrogeno verde può giocare un ruolo decisivo in un mondo a zero emissioni. L’elettrificazione tramite energie rinnovabili sarà la strada principale, oltre che la più efficiente per la decarbonizzazione. Tuttavia, ci sono alcuni usi finali che ad oggi sono più difficili da decarbonizzare tramite un processo di elettrificazione diretta. Qui è dove l'idrogeno verde può penetrare per realizzare la piena decarbonizzazione. Questi settori sono anche chiamati "Hard to abate" e consistono principalmente nel settore industriale, aviazione e marittimo.

L’idrogeno verde

Green e a impatto zero

C’è un solo problema. Per quanto abbondantissimo nell’universo, sulla Terra l’idrogeno non è disponibile in natura da solo. È possibile trovarlo solo legato ad altri elementi, come ad esempio nell’acqua (molecola di idrogeno e ossigeno) o negli idrocarburi (idrogeno e carbonio). Per separarlo dagli altri elementi con cui si trova sulla Terra è necessario “estrarlo” fornendo dell’energia che favorisca il processo di separazione e sostenendo un costo economico e spesso anche ambientale.

Dato che non si trova da solo in natura e che per produrlo è necessario un contributo di un altro tipo di energia, l’idrogeno è considerato un vettore energetico e non una fonte energetica, come è invece quella solare o eolica.

Soltanto il cosiddetto “idrogeno verde”, ottenuto separandolo dall’acqua con un processo di elettrolisi alimentato da energia rinnovabile, è davvero a impatto zero, senza emissioni inquinanti e senza consumo di preziose risorse naturali. La comunità scientifica e tecnologica è impegnata da tempo per rendere l’idrogeno verde più facile da produrre e più economico e, grazie agli enormi progressi fatti negli ultimi anni, il traguardo sembra ormai a portata di mano. Ecco perché molti esperti ritengono prossima una nuova era energetica dell’idrogeno, che seguirà a quella del petrolio, destinata a chiudersi. 

Storia

Dai laboratori degli alchimisti alle navicelle spaziali

Come funziona l'idrogeno?

Conosci tutti i colori dell'idrogeno? Quali sono i vantaggi dell'idrogeno verde? Come avviene il suo processo di produzione e cos'è l'elettrolisi dell'acqua? In questa videografica troverai la risposta a queste e altre domande e potrai approfondire sul funzionamento di questa promettente tecnologia.

Come si produce

L’elettrochimica incontra le rinnovabili

Oggi circa il 95% dell’idrogeno impiegato sulla Terra, perlopiù per uso industriale, è ottenuto da reforming del metano o da gassificazione del carbone, con processi che generano notevoli quantità di emissioni di anidride carbonica ma che sono anche, attualmente, i più economici a disposizione. Esistono anche altri modi per ricavare idrogeno, per esempio attraverso processi termochimici e, soprattutto, mediante elettrolisi dell’acqua. Si tratta di sistemi chiamati elettrolizzatori che richiedono un certo apporto di energia elettrica e che quindi, per essere davvero sostenibili, dovrebbero essere alimentati da fonti rinnovabili, come l’eolico o il fotovoltaico.

Al momento impianti per la produzione di idrogeno verde su larga scala di questo tipo non sono ancora competitivi con quelli tradizionali dal punto di vista dei costi, ma l’attesa riduzione dei costi degli elettrolizzatori, l’enorme progresso nell’efficienza delle celle fotovoltaiche e dei generatori eolici e il conseguente abbattimento del costo del kWh da fonti rinnovabili sta cambiando rapidamente lo scenario.

Come funziona allora un impianto di questo tipo? Il cuore è l’elettrolizzatore, o cella elettrolitica, dove avviene la separazione dell’acqua nei suoi elementi costitutivi, idrogeno e ossigeno. L’acqua viene posta a contatto con due elettrodi, un anodo a carica positiva e un catodo a carica negativa. La corrente elettrica dissocia le molecole in ioni idrogeno H+ e ioni idrossido OH-. Al catodo gli ioni idrogeno acquisiscono elettroni in una reazione di riduzione e diventano idrogeno gassoso. All’anodo gli ioni idrossido cedono elettroni in una riduzione di ossidazione, portando alla formazione di ossigeno.

Se la cella elettrolitica è posta in prossimità di un impianto da fonti rinnovabili, parte della produzione di elettricità, per esempio quella in eccesso rispetto alla capacità di trasporto della rete, può essere impiegata per alimentarla. In questo modo l’idrogeno prodotto svolge la funzione di uno "stoccaggio" chimico, che può essere utilizzato successivamente, quando serve, come materia prima nel processo di produzione dell’acciaio o come combustibile per fornire calore ad alta temperatura. 

Vantaggi

Superefficiente e non produce emissioni

  • L’idrogeno è il carburante con la maggiore densità energetica: 1 kg contiene la stessa energia di 2,4 kg di metano o di 2,8 kg di benzina.
  • Per la facilità con cui l’energia elettrica può essere convertita in idrogeno, si rivela il vettore energetico più efficiente a nostra disposizione per lo stoccaggio degli eventuali surplus di produzione di elettricità da fonti rinnovabili.
  • Un’altra preziosa caratteristica dell’idrogeno è l’alta efficienza di conversione. In un’auto a idrogeno con celle a combustibile fino al 60% dell’energia chimica dell’idrogeno viene convertita in energia motrice per il veicolo, mentre il rendimento meccanico di motori termici, come quelli a benzina o gasolio, oscilla tra il 20% e il 35%.
  • L’idrogeno è ampiamente utilizzato nell’industria, facile da stoccare e anche da trasportare, per esempio in condutture come quelle usate per il gas.
  • L’idrogeno è l’unico carburante che, comunque lo si usi, in motori termici o in celle a combustibile, non produce emissioni inquinanti, ma semplicemente acqua.

Domande frequenti sull’idrogeno

L’idrogeno è presente ovunque in natura, ma è sempre legato ad altri elementi chimici. Se l’energia elettrica utilizzata viene prodotta da fonti rinnovabili, l'idrogeno viene detto “verde” o “rinnovabile” e non produce emissioni di anidride carbonica che contribuiscono ai cambiamenti climatici. L’utilizzo migliore dell’idrogeno verde è nei settori industriali “hard-to-abate”, cioè quelli per cui l’elettrificazione è tecnicamente difficile e poco competitiva. Ecco tutte le risposte alle tue curiosità su questa fonte energetica.

Lo sapevi che?

Gasdotti a idrogeno? Sì ma con intelligenza

Un’idea proposta di recente per rendere capillare la distribuzione dell’idrogeno è di utilizzare le condutture utilizzate per il gas in città. L’idea consiste nel miscelare l’idrogeno con il metano e produrre così un blend da utilizzare anche nelle abitazioni per il riscaldamento o per cucinare.

Una soluzione di questo tipo pone, però, due problemi: in questo modo si ridurrebbero solo in parte le emissioni climalteranti prodotte dalla combustione del metano (occupando il 10% dello spazio della tubatura con l’idrogeno, le emissioni si ridurrebbero soltanto dell’1% circa), perdendo molti dei vantaggi dell’idrogeno, e potrebbero porsi anche problemi di sicurezza, legati all’effettiva capacità di controllare l’esatta composizione del blend di gas in tutti i tratti della rete.

Una soluzione più efficace per avviare una capillare distribuzione di idrogeno potrebbe invece affidarsi inizialmente a condutture brevi, per collegare gli impianti di produzione di idrogeno verde a utenti finali nelle vicinanze, in grado di sfruttare tutti i vantaggi di questo straordinario vettore energetico per avviare un forte processo di decarbonizzazione. Una volta ottenuta, in questo modo, una consistente riduzione della domanda di gas, si potrebbe pensare di estendere queste iniziali isole di distribuzione a un maggior numero di utenti anche domestici.

Fonti: per i dati sull’idrogeno iniziali
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119308275