H, ovvero l’idrogeno

In questo ultimo capitolo della serie “Energie” andiamo allo scoperta dell’idrogeno

Grafiche di Giulia Boiani

Introduzione

L’idrogeno ha un numero: l’uno. È il primo elemento chimico della tavola periodica, capofila degli altri 117. Il suo numero atomico è 1 ed è costituito – nella sua forma più comune – da un protone e da un elettrone. E l’idrogeno ha una lettera che lo identifica: l’H. È l’elemento più leggero nonché il più semplice e il più abbondante dell’universo.

È scontato quindi che trovi implicazioni nel comparto energetico ma non in maniera così frequente come si sarebbe portati a pensare. L’idrogeno, infatti, presenta un grosso limite: sulla terra non si trova in forma libera – salvo sporadici casi, come durante le attività vulcaniche e nelle sorgenti petrolifere – e, per produrlo e utilizzarlo, occorre prima una trasformazione.

Di conseguenza l’idrogeno non è una fonte primaria di energia ma un vettore energetico come l’elettricità: una forma di energia che non si reperisce direttamente in natura (come il gas naturale, il petrolio o il carbone), ma che si ottiene attraverso delle trasformazioni alimentate da altre fonti. Inoltre il suo immagazzinamento e il suo trasporto richiedono complesse e costose tecnologie per raggiungere basse temperature e alte pressioni, che pongono dei problemi di sostenibilità economica sul suo sviluppo.

L’idrogeno oggi

Esistono svariati campi d’applicazione per l’idrogeno ma allo stato attuale solo pochi tra essi sono presidiati. Secondo l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), nel 2022 la domanda globale di idrogeno ha raggiunto 95 milioni di tonnellate. Essa rimane concentrata in due settori tradizionali: la raffinazione e il comparto industriale chimico.

L’idrogeno è infatti impiegato nell’industria chimica per produrre ammoniaca, metanolo, fertilizzanti di sintesi per l’agricoltura, prodotti petroliferi e nella metallurgia dell’acciaio.

Queste produzioni presentano un significativo problema ambientale. Esse sono responsabili infatti di elevate emissioni annuali di CO₂ poiché si basano principalmente su tecnologie a combustibili fossili. Il 70% del fabbisogno energetico per la produzione di idrogeno è stato soddisfatto con gas naturale e metano, principalmente attraverso il processo chimico di raffinazione e frazionamento di questi idrocarburi leggeri, e circa il 30% attraverso la gassificazione di carbone.

È in questo contesto che si è iniziato a ragionare sulla decarbonizzazione del settore, arrivando a catalogare per “colori” i differenti metodi di produzione dell’idrogeno:

• idrogeno grigio, il più comune, derivato come visto dai combustibili fossili;
• idrogeno blu, derivato sempre dai combustibili fossili ma integrato a sistemi di sequestro della CO₂;
• idrogeno verde, derivato da processi a basse emissioni carboniche, come ad esempio l’elettrolisi da fonti rinnovabili.

Una (bi)molecola, molte possibilità

Se fino a questo punto ci siamo concentrati su come viene utilizzato e prodotto l’idrogeno ad oggi, vediamo ora i possibili utilizzi futuri di questo vettore energetico e come poterlo produrre in maniera più verde.

L’idrogeno è infatti un ottimo combustibile che può venire impiegato in due modi. Il primo consiste nel bruciare l’idrogeno. Questa tecnologia è promettente nel settore dei trasporti, dato che – a differenza dei convenzionali combustibili odierni – lo scarto della reazione tra idrogeno e l’ossigeno dell’aria sarebbe principalmente acqua, senza inquinanti emissioni di gas a effetto serra.

Esistono anche progetti e prototipi per utilizzarlo come combustibile nelle centrali elettriche. In Italia, è stata inaugurata da ENEL nel 2010 la centrale a idrogeno di Fusina (Venezia) ma, dopo appena otto anni di produzione, la stessa è stata chiusa per problemi di approvvigionamento dell’idrogeno.

Il secondo metodo consiste invece nel far reagire chimicamente l’idrogeno con l’ossigeno per ottenere energia elettrica attraverso la pila a combustibile. Una pila (o cella) a combustibile è costituita da due elettrodi, il catodo (il polo negativo) e l’anodo (il polo positivo). Questi elettrodi stimolano le reazioni chimiche che, consumando fondamentalmente idrogeno e ossigeno, producono acqua e corrente elettrica nel circuito esterno.

La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura. Una pila a combustibile presenta molteplici similitudini alle comuni batterie elettriche ma – a differenza di queste ultime – le celle consumano sostanze che provengono dall’esterno e quindi sono in grado di funzionare senza interruzioni fintanto che connesse a un serbatoio di idrogeno. I campi di utilizzo delle pile a combustibile sono più ampi rispetto al primo caso. Sicuramente trovano spazio nei trasporti – esistono automobili commercializzate, come la Toyota Mirai – ma potenzialmente in una qualsiasi applicazione che utilizza energia elettrica.

Per concludere, l’idrogeno rivestirebbe un ruolo chiave nel caso in cui, nei prossimi decenni, l’ambizioso traguardo della fusione nucleare diventasse realtà: la maggior parte dei progetti, tra cui quello del consorzio ITER, prevede l’idrogeno come combustibile nei reattori ove innescare la fusione tra gli atomi per produrre elettricità.

Produrre l’elemento più leggero

Passando alla produzione dell’idrogeno, il metodo più consolidato tra quelli a basso impatto ambientale è l’elettrolisi. Essa consiste nella scissione dell’acqua mediante l’utilizzo di energia elettrica in molecole di idrogeno e ossigeno. Nel caso di idrogeno verde, l’energia elettrica necessaria al processo potrebbe essere prodotta da impianti che sfruttano fonti rinnovabili non inquinanti. Il processo è noto, pulito e fornisce idrogeno praticamente puro, ma ha un grosso svantaggio che ne limita la diffusione: il costo dell’energia elettrica necessaria.

È invece ancora in fase sperimentale la produzione del bio-idrogeno. La pirolisi, ad esempio, è un processo che prevede il riscaldamento di biomasse in assenza di aria al fine di spezzare le molecole complesse contenute in queste sostanze organiche in elementi separati (tra cui l’idrogeno). In natura esistono anche dei microorganismi che producono idrogeno con l’aiuto dell’energia solare. Si tratta di tecniche fotobiologiche, sperimentate nei cosiddetti bio-reattori, che sfruttano l’energia solare in combinazione con dei sistemi biologici come alghe, microrganismi e rifiuti organici.

L’idrogeno del futuro

L’Unione Europea prevede un ruolo primario per l’idrogeno e ipotizza una sua crescita nel paniere energetico dall’attuale 2% al 14% entro il 2050. Per sostenere questa strategia, è stata varata la banca europea dell’idrogeno (European Hydrogen Bank) con lo scopo di finanziare la produzione e la creazione di una filiera europea dell’idrogeno. Diverse società energetiche stanno investendo in progetti pilota. Tra queste, la spagnola Iberdrola ha inaugurato nella città di Ciudad Real un sito per la produzione di idrogeno verde composto da un campo fotovoltaico da 100 MW combinato a un sistema di accumulo (batterie agli ioni di litio) da 20 MW e una produzione di idrogeno tramite elettrolisi.

Guardando al nostro paese, la SNI (Strategia Nazionale Idrogeno) è ancora in attesa di pubblicazione. Nonostante ciò, è già disponibile un documento preliminare che definisce la strategia di breve e lungo termine. In queste linee guida vengono identificati i potenziali impieghi dell’idrogeno. Ad esempio, per il prossimo decennio il Governo prevede l’applicazione dell’idrogeno nel settore dei trasporti, in particolare pesanti (ad esempio camion) oppure a lungo raggio come quello ferroviario, aereo o navale. Un altro campo d’applicazione è nei settori complessi da decarbonizzare (“hard to abate”), caratterizzati da un’alta intensità energetica e con scarse possibilità di elettrificazione. Tra questi troviamo i già citati comparti della raffinazione e della chimica, sistemi che potrebbero beneficiare nell’avere al contempo sia la produzione che il consumo di idrogeno. Un’ultima soluzione individuata – già sperimentata negli Stati Uniti – è l’utilizzo dell’idrogeno miscelato nella convenzionale rete del gas che permetterebbe di ridurre le emissioni dovute alla combustione del metano. L’economia dell’idrogeno porterebbe inoltre vantaggi all’indotto, con la possibilità di creazione di nuove manifatture specializzate nella produzione di elettrolizzatori e pile a combustibile.

Conclusioni

L’idrogeno è un vettore energetico versatile, che può aiutare ad affrontare la sfida climatica che incombe. Nello scenario a “zero emissioni nette”, l’utilizzo dell’idrogeno porta a minori riduzioni di emissioni di CO₂ se comparato alle altre misure di mitigazione più strategiche, come l’impiego di energie rinnovabili, l’elettrificazione diretta e il cambiamento dei comportamenti individuali. Tuttavia l’idrogeno e i combustibili a base di idrogeno potrebbero svolgere un ruolo importante in quei settori dove le emissioni sono difficili da abbattere, come l’industria pesante e i trasporti a lungo raggio.