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Idrogeno: perché può essere una chiave per la transizione energetica

Idrogeno

L’idrogeno “verde” è il più sostenibile e prevede un processo estrattivo basato sull’elettrolisi dell’acqua. È una soluzione che richiede grande apporto di energia per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno. Tuttavia se arriva da fonti rinnovabili, l’impronta carbonica è vicina allo zero.

L’idrogeno può diventare un elemento essenziale per accelerare la transizione energetica e generare importanti benefici socio-economici e ambientali. Soprattutto l’idrogeno verde, prodotto cioè attraverso elettrolizzatori alimentati ad energia rinnovabile. Bisogna ricordare infatti che non stiamo parlando di una fonte di energia presente in natura, ma può essere prodotto attraverso diverse fonti, ad esempio da idrocarburi come il gas metano (idrogeno grigio) o da fonti rinnovabili attraverso il processo di elettrolisi (idrogeno verde).

QUANTI TIPI DI IDROGENO CI SONO

L’idrogeno “marrone” o “grigio” è ricavato dal carbone o dal gas naturale. Ha costi di produzione bassi (1-2 USD/kg H2), ma una forte carica inquinante e, quindi, è quello più lontano dalla sostenibilità ambientale. A oggi, rappresenta la stragrande maggioranza dell’idrogeno prodotto.

L’idrogeno “blu” ha un processo produttivo simile, ma prevede la “cattura” e lo stoccaggio della CO2 prodotta. In questo modo si ottiene un’impronta ambientale più contenuta (comunque significativa) ma a un costo lievemente più alto.
L’idrogeno “verde” è quello più sostenibile e prevede un processo estrattivo completamente diverso, basato sull’elettrolisi dell’acqua. È una soluzione che richiede grande apporto di energia per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno. Tuttavia se arriva da fonti rinnovabili, l’impronta carbonica è vicina allo zero.

È UN VETTORE DI ENERGIA

Appena ci si approccia al tema dell’idrogeno l’aspetto che salta subito all’occhio è che si tratta dell’elemento più diffuso dell’universo ma, e qui sta il problema, solo in quantità irrisorie è disponibile come sostanza pura mentre nella stragrande maggioranza dei casi è uno dei componenti di molecole più complesse (ad esempio acqua (H2O), metano (CH4) e ammoniaca (NH4)).

Per questo motivo, l’idrogeno è un vettore, non una fonte di energia. Questo vuol dire che è necessario spendere energia per produrlo per poi utilizzarlo a sua volta per produrre energia. Mentre il motivo principale per cui interessa utilizzare l’idrogeno come vettore energetico è molto semplice: l’ossidazione dell’idrogeno genera energia sviluppando, come prodotto, solamente acqua e quindi niente CO2, e nessun gas inquinante. Tuttavia, esistono una serie di problemi che ad oggi limitano notevolmente l’impiego dell’idrogeno e che, in mancanza di risposte adeguate, non ne consentiranno un utilizzo diffuso all’interno di una economia pienamente sostenibile. Si tratta del fatto che la produzione di idrogeno più conveniente è quella da idrocarburi e combustibili fossili e prevede l’emissione di CO2 e del problema della densità energetica bassa che quindi, per ottenere elevati quantitativi energetici, richiede di disporre di elevati volumi di Idrogeno.

I PROBLEMI DELL’IDROGENO VERDE

Lo sviluppo dell’idrogeno verde, che rappresenta al momento una nicchia, è ostacolato per due ragioni: 1) la necessità di reperire ingenti quantità di energia proveniente da fonti rinnovabili. La transizione è in corso, infatti, ma eolico e fotovoltaico non sono ancora in grado di assicurare la mole di elettricità necessaria. 2) I costi di produzione che sono praticamente doppi rispetto all’idrogeno blu.

Tuttavia, l’idrogeno verde è un alleato importante nella decarbonizzazione di alcuni settori, ad esempio l’industria chimica e altre attività energivore come la siderurgia e il cemento, l’aviazione e il trasporto marittimo.

COME SI PRODUCE ‘GREEN’

Oltre alla produzione per via elettrolitica (la più energivora) esistono, altre vie di produzione mediante reazioni chimiche da fonti fossili (carbone, prodotti petroliferi ecc.). Questi processi (“steam reforming”) sono processi che prevedono la generazione, come coprodotto dell’idrogeno, di una notevole quantità di anidride carbonica. Tali tecnologie posso essere, però, riutilizzate in un’ottica di sostenibilità utilizzando come materia prima prodotti da fonti rinnovabili come biometano, bioetanolo o, perfino syngas proveniente da biomasse. Il vantaggio di queste tecnologie, rispetto alla produzione per via elettrolitica, è il fatto che hanno un costo energetico specifico per unità di idrogeno prodotto più contenuta. Inoltre l’anidride carbonica emessa come prodotto, di origine “rinnovabile”, non entra nel bilancio delle emissioni di anidride carbonica.

La semplicità dei processi di produzione di energia elettrica da idrogeno con “fuel cell”, e le dimensioni degli impianti stessi, rendono appunto l’idrogeno una alternativa valida agli accumulatori di energia elettrica. In particolare, la soluzione di un accumulo di energia sotto forma di idrogeno gassoso (con le associate “fuel cell”) si sta proponendo come valida alternativa per gli autocarri elettrici, in considerazione dell’eccessiva quantità (peso) che si avrebbe con un equivalente stoccaggio di energia elettrica, a parità di autonomia di percorso. Gli attuali modelli di autocarri (con accumulatori elettrici) hanno una potenza installata di 300 kWh, per una autonomia di circa 250 km, e un tempo di ricarica (a 50 kW) di circa 6.0 ore. L’equivalente autonomia per un autocarro ad idrogeno può essere raggiunta con 20 kg e tempi di ricarica notevolmente inferiori alle 6 ore richieste dagli accumulatori elettrici. L’esempio sopra riportato indica in modo eclatante che, in uno scenario di trasporto merci con autocarri, è necessario avere una rete di rifornimento idrogeno con una presenza di almeno un distributore ogni 200 km.

Gli alti costi del trasporto dell’idrogeno gassoso impongono, per questa soluzione, la necessità di produrre idrogeno nella stazione stessa, e questa può essere fatta mediante elettrolisi o con processi di “steam reforming”, partendo da materie prima con costi di trasporto più contenuti.
Ultimamente sono state adeguate le precedenti tecnologie di produzione idrogeno da steam reforming di sostanze fossili all’utilizzo di materie prime di provenienza rinnovabile (biometano, bioetanolo o biomasse generiche) recuperando la tecnologia stessa in un contesto di sostenibilità.

ALL’INIZIO C’ERA JEREMY RIFKIN

Il possibile contributo dell’idrogeno ai sistemi energetici del domani venne evidenziato sin dall’inizio del secolo, quando l’economista Jeremy Rifkin anticipò una nuova rivoluzione industriale basata sull’idrogeno in sostituzione dei combustibili fossili per contribuire alla decarbonizzazione dell’economia globale.

Il G20 DEL 2019

Rilevanti considerazioni sul crescente ruolo dell’idrogeno sono emerse poi a giugno 2019 in occasione del G20 dalla International Energy Agency, in uno specifico rapporto – “The Future fo Hydrogen”- che lo individuava come il vettore energetico necessario per immagazzinare la produzione da fonti rinnovabili.

LA STRATEGIA EUROPEA

Recentemente l’International Energy Agency ha stimato che nello scenario di un’economia globale a zero emissioni, nel 2050, il peso di quello da elettrolisi sul totale della produzione dei combustibili a base di idrogeno sarà intorno al 62 per cento, mentre quello da combustibili fossili con cattura e stoccaggio del carbonio arriverà intorno al 38 per cento.

Per questo l’Unione europea che ha dato forma a una vera e propria Strategia per l’idrogeno, che si inserisce nel percorso di completa decarbonizzazione dell’economia europea entro il 2050.

Secondo diversi studi dunque, l’idrogeno può diventare un elemento essenziale per accelerare la transizione energetica e generare importanti benefici socio-economici e ambientali. Ad esempio, nello scenario sviluppato da “Hydrogen Roadmap Europe: Un percorso sostenibile per la transizione energetica europea“, l’idrogeno verde potrebbe coprire entro il 2050 fino al 24% della domanda finale di energia e creare 5,4 milioni di posti di lavoro, oltre a contribuire al totale riduzione di 560 milioni di tonnellate di CO2.

UNO SGUARDO ALLA CHIMICA

Attualmente il 95% dell’idrogeno è ottenuto da processi che impiegano fonti fossili. Solo il 5% proviene da fonti rinnovabili. Il paradigma per la generazione di idrogeno verde è l’accoppiamento della generazione di energia elettrica rinnovabile con l’elettrolisi dell’acqua (processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell’acqua in ossigeno ed idrogeno gassoso). Tuttavia, l’elettrolisi dell’acqua presenta importanti ostacoli. In particolare, le tecnologie degli elettrolizzatori più performanti impiegano quantità ingenti di platino e di iridio, entrambi presenti nella lista dei Critical Raw Materials (CRM), ovvero materiali a rischio di approvvigionamento. Sulla base dell’attuale catena di approvvigionamento i metalli del gruppo del platino limiterebbero la produzione di elettrolizzatori a membrana polimerica a circa 6-7 GW anno, contro i 100 GW annui previsti dalle roadmap di decarbonizzazione al 2030. La ricerca è quindi orientata ad eliminare tali materiali o a ridurne la quantità impiegata, aumentandone la durabilità e la riduzione dei costi dei dispositivi.

Riguardo alle soluzioni tecnologiche disponibili (o in via di sviluppo) per l’idrolisi (processo per la produzione di idrogeno verde), ne possiamo indicare quattro: AEL (Elettrolizzatori alcalini), PEM (elettrolizzatori a membrana polimerica), AEM (elettrolizzatori a membrana anionica) e SOEC (Elettrolizzatori ad ossidi solidi), tutti con i propri pro e contro.

DALL’INGEGNERIA CHIMICA UN APPORTO FONDAMENTALE PER MIGLIORARE I PROCESSI PRODUTTIVI

È dunque chiaro l’apporto fondamentale dell’ingegneria chimica nel settore dell’idrogeno per migliorare i processi di produzione e garantire una produzione sostenibile di idrogeno verde. Da anni società quali l’italiana Chemprod società d’ingegneria multidisciplinare con sede a Milano, si occupano di questi aspetti, con implicazioni nella ricerca che riguardano sia la chimica fondamentale della reattività di piccole molecole come l’acqua, sia la sostenibilità dei processi produttivi, in particolare per la progettazione di catalizzatori su scala atomica e dispositivi elettrocatalitici migliorati. Fino allo studio dei complessi molecolari stabilizzati da metalli non costosi e largamente disponibili in natura.

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