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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 da cui si alimentano le reazioni di fissione 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 tutte queste sue caratteristiche, nell’idrogeno riponiamo la speranza di disporre, in modo sostenibile e senza inquinare, dell’energia che ci serve per riscaldarci, per gli elettrodomestici di casa nostra e per l’industria. In particolare può giocare un ruolo decisivo per la decarbonizzazione delle industrie ad alta intensità energetica, come quella dei trasporti aerei e marittimi, della siderurgia o della chimica.

L’idrogeno verde

Green e a impatto zero

C’è un solo problema. Per quanto abbondantissimo nell’universo, 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 (catene di idrogeno e ossigeno). 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

Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, astronomo e alchimista svizzero, trattando nel suo laboratorio metalli con acidi forti, realizza il primo esperimento per ricavare l’idrogeno in forma di gas (H2).

Il chimico britannico Robert Boyle ripete l’esperimento di Paracelso e si accorge che il gas prodotto era infiammabile. Lo battezzò “soluzione infiammabile di ferro”.

Il chimico francese Antoine Lavoisier diede al gas già scoperto da Paracelso e Boyle il nome di idrogeno, dimostra così che la combustione del gas genera acqua.

Gli studiosi Jan Rudolph Deiman e Adriaan Paets van Troostwijk riescono per la prima volta a decomporre l'acqua generando delle scintille con l'ausilio di fili d'oro.

I chimici William Nicholson e Johann Wilhelm Ritter realizzano il primo esperimento progettato per ottenere l’elettrolisi dell’acqua, cioè la separazione di idrogeno e ossigeno mediante l’elettricità.

Il fisico e chimico britannico Michael Faraday pubblica le due leggi sulla elettrolisi, note come Leggi di Faraday.

Sir William Grove, giudice e fisico gallese, inventa la cella a combustibile, un dispositivo elettrochimico in grado di convertire l’energia chimica di un combustibile come l’idrogeno e di un ossidante come l’ossigeno in energia elettrica.

L’inventore francese Jean-Joseph Étienne Lenoir realizza la Hippomobile, un carro con un propulsore a due tempi alimentato con miscela di gas idrogeno ricavato dall’acqua per elettrolisi.

August Wilhelm von Hoffmann inventa il voltametro di Hoffmann, un’apparecchiatura per effettuare l’elettrolisi dell’acqua misurando le quantità di idrogeno e di ossigeno sviluppate nel processo.

Zygmunt Florenty Wroblewsky, fisico e chimico polacco, individua in 33 Kelvin (-252,87°C) la temperatura critica dell’idrogeno, cioè quella al di sotto della quale l’elemento si presenta in forma liquida e non gassosa. 

Il fisico russo e ingegnere Dmitry Lachinov mette a punto un metodo per ottenere l'elettrolisi dell'acqua anche in ambito industriale.

Carl Bosch lancia la commercializzazione del metodo brevettato dal collega Fritz Haber, chiamato poi processo Haber-Bosch.

La società statunitense Standard Oil avvia i primi tre impianti per lo steam reforming, il processo con cui l’idrogeno viene ottenuto dal metano.

La società elettrica Norsk Hydro trasforma un camion dotandolo di un reformer che estraeva da ammoniaca idrogeno usato per la combustione interna.

Viene perfezionata la tecnica di stoccaggio dell’idrogeno liquido a bassa temperatura nell’ambito del progetto statunitense per lo sviluppo della bomba a idrogeno.

L’idrogeno liquido viene utilizzato come propellente degli ultimi stadi dei propulsori spaziali Centaur e Saturn, sviluppati dalla Nasa.

La Nasa equipaggia la capsula della seconda missione Gemini con una cella a combustibile a idrogeno e ossigeno, della potenza di 1 kW, che produce anche acqua da bere per gli astronauti.

Roger Billings converte un furgone Ford Modello A in veicolo a idrogeno, trasformando il suo motore a combustione interna.

La General Motors produce il furgone GM Electrovan, il primo a celle a combustibile pensato per il mercato. Il progetto fu poi accantonato per i costi troppo elevati.

Honda lancia la vettura Honda FCX, la prima auto con celle a combustibile destinata alla produzione industriale, risultato di un progetto iniziato negli anni Novanta.

La società britannica AFC Energy presenta la prima cella combustibile a idrogeno destinata alla ricarica delle auto elettriche.

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.
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. ù

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

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