APPROFONDIMENTI

IDROGENO

17-04-2021

Cos’è

L’idrogeno, dal greco “generatore d’acqua”, vanta già diversi primati: il primo elemento a formarsi in seguito al Big Bang; il più abbondante dell’universo; il primo della tavola periodica in quanto il più leggero. A questi potrebbero aggiungersene velocemente altri, poiché nei prossimi anni si deciderà il suo ruolo nella green economy^[1].

Iniziamo facendo chiarezza: l’idrogeno non è una fonte d’energia, ma un vettore energetico. Ciò significa che, trovandosi raramente sulla Terra nel suo stato naturale^[2] e quasi sempre legato ad altre molecole (principalmente sotto forma di acqua, idrocarburi), per poterlo utilizzare a fini energetici dobbiamo “estrarlo” ed immagazzinarlo^[3]. Lo “scarto” (tecnicamente, prodotto di reazione) derivante dai processi che utilizzano l’idrogeno come vettore energetico? Semplice acqua!

Questa affermazione è sufficiente a capire che, se verranno soddisfatte determinate condizioni che analizzeremo più avanti, il ruolo di questo elemento nella guerra all’inquinamento sarà determinante.

 

Obiettivo decarbonizzazione UE 2050 -  “Green New Deal”

Secondo quanto riportato nello studio condotto dall’Associazione Italiana Idrogeno e Celle a Combustibile^[4], il 2020 è stato un anno di svolta per le politiche europee, accelerate anche dall’emergenza sanitaria che stiamo ad oggi vivendo, volte a promuovere nuove soluzioni per la salvaguardia dell’ambiente, nuovi modi di proteggere la salute dei cittadini, rivoluzionando tutti i settori economici ed energetici. La strategia europea consiste nel progressivo incremento dell’uso delle fonti rinnovabili e la loro integrazione nel sistema energetico per conseguire l’obiettivo di riduzione del 100% delle emissioni al 2050; parallelamente rafforzare il mercato interno e incrementare la sicurezza energetica. Questo obiettivo è stato recentemente reso ancor più sfidante per un voto al Parlamento europeo che pone dei potenziali nuovi limiti di riduzione al 2030, alzando il precedente obiettivo della riduzione delle emissioni carboniche dal 55 al 60%. In questo contesto, l’idrogeno si presenta come una soluzione chiave, complementare con altre tecnologie, per la decarbonizzazione del sistema energetico.

 

La filiera dell’idrogeno

Produzione

Quando si parla di produzione, è indispensabile classificare le varie tipologie di idrogeno ottenuto dalle relative metodologie utilizzate.

Idrogeno Grigio e Marrone: prodotti esclusivamente da combustibili fossili o da vettori energetici provenienti da combustibili fossili; rispettivamente parlando, da gas naturale e carbone. Tali processi producono grandi emissioni di CO₂ che finiscono nell’atmosfera.

Idrogeno Blu: prodotto dai combustibili fossili precedentemente citati, utilizzando nel contempo le tecnologie di cattura e stoccaggio della CO₂ emessa (CCS - Carbon Capture and Storage)^[5].

Idrogeno Verde: prodotto mediante processi con emissioni di CO₂ estremamente basse (nulle e carbon neutral). Tali processi possono essere: elettrolisi^[6] da fonte esclusivamente rinnovabile, gassificazione/pirolisi di biomassa.

L’idrogeno verde rappresenta meno del 5% dell’intera produzione mondiale, ma viene considerato una grande speranza proprio perché nei suoi vari utilizzi non genera emissioni nel ciclo di vita. Ne risulta di facile comprensione la necessità di stabilire un sistema di tracciabilità e di garanzia d’origine al fine di garantire una reale decarbonizzazione del vettore.

Trasporto, distribuzione e stoccaggio

L’idrogeno è un gas con caratteristiche chimiche e fisiche particolari, prima fra tutte una densità energetica volumetrica molto bassa: questo implica l’utilizzo di elevate pressioni o il passaggio allo stato liquido (a -250°C) per trasporto e stoccaggio. Tali peculiarità richiedono quindi che la catena di trasporto, distribuzione e stoccaggio (nonché l’utilizzo presso l’utente finale) adottino particolari precauzioni ed implementino infrastrutture e impianti di combustione dedicati per garantirne la sicurezza.

Quindi, è possibile utilizzare la rete di infrastrutture esistente? Dipende. Ad esempio, si può utilizzare la rete dedicata al gas naturale solo se l’idrogeno è miscelato ad esso in basse percentuali (5-20% del totale). Per poterlo trasportare e distribuire puro al 100%, è necessario predisporre una rete dedicata utilizzando materiali appositamente studiati.

Per quanto riguarda lo stoccaggio, allo stato attuale delle cose questo può avvenire: in unità geologiche (immagazzinato in cavità sotterranee di origine artificiale sotto forma di gas) oppure in contenitori appositi (sotto forma di gas oppure liquefatto).

Mobilità

Al pari delle ormai piuttosto diffuse e conosciute colonnine elettriche, le stazioni di rifornimento (HRS-Hydrogen Refuelling Station) costituiscono il fondamento del sistema attorno al quale si svilupperanno le forme di mobilità su gomma, ferroviaria e marittima. Per poter sperare in un utilizzo di massa, è indispensabile progettare e realizzare un’infrastruttura di rifornimento per l’idrogeno ben ramificata e diffusa, oltre che economicamente conveniente.

Mobilità su gomma: i veicoli alimentati a celle a combustibile^[7] possono fornire un servizio di trasporto paragonabile ai veicoli alimentati con combustibili tradizionali in termini di tempi di rifornimento e autonomia, ma con emissioni allo scarico nulle.

Mobilità ferroviaria: i treni ad idrogeno rappresentano ormai un’alternativa economicamente competitiva per quelle tratte attualmente non elettrificate, con bassa frequenza di servizio e con lunghe percorrenze (condizioni molto diffuse nel trasporto su rotaia).

Mobilità marittima: l’intero settore sta subendo enormi pressioni internazionali per quanto riguarda le emissioni di CO₂; l’introduzione delle nuove tecnologie che sfruttano l’idrogeno ne comporterebbe un abbattimento radicale.

Usi energetici

Le celle a combustibile consentono l’allaccio alla rete elettrica, sono compatibili per l’integrazione con fonti energetiche rinnovabili ed hanno possibilità di immissione di energia elettrica in rete. Le celle offrono inoltre la possibilità di costituire un impianto di stoccaggio, se accoppiati ad elettrolizzatori.

I generatori con celle a combustibile rappresentano una possibile alternativa anche come sistemi di fornitura di energia di back-up, andando a sostituire gli attualmente dominanti generatori diesel.

 

Criticità

Quanto espresso fino ad ora sembra così lineare in termini concettuali che viene da chiedersi perché il mondo non si sia già convertito all’idrogeno pulito. Grazie ai dati elaborati da Eni, la principale risposta a questa domanda risulta piuttosto semplice: i costi.

In particolare, sempre secondo le elaborazioni di Eni, nel 2000 produrre energia col petrolio costava 40 volte meno che con l’idrogeno verde. Ma non c’è da disperare: tale rapporto nel 2010 era già sceso a 10. Oggi è pari a 2.

 

Se c’è una lezione da imparare dalla rapidità nello sviluppo dei vaccini per il Covid-19 e dalla recente diffusione delle auto elettriche (o, quantomeno, ibride), è che quando gli interessi in ballo sono così forti, le cose possono subire un’accelerazione impensabile fino a poco tempo prima.

 

Alessandro Vannelli - PQL

 

 

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[1] Modello teorico di sviluppo economico che prende in considerazione l’attività produttiva valutandone sia i benefici derivanti dalla crescita, sia l’impatto ambientale provocato dall’attività di trasformazione delle materie prime. In particolare la g. e. è una forma economica in cui gli investimenti pubblici e privati ​​mirano a ridurre le emissioni di carbonio e l'inquinamento, ad aumentare l'efficienza energetica e delle risorse, a evitare la perdita di biodiversità e conservare l’ecosistema. Fonte: Enciclopedia Treccani.

[2] Essendo un elemento tanto leggero, riesce a “sfuggire” alla forza di gravità uscendo dall’atmosfera. È presente nella sua forma naturale sul Sole, dove partecipa alla composizione della sua massa per oltre il 70%.

[3] Ciclo di vita del vettore energetico: a) generazione a partire dalla fonte primaria; b) trasporto; c) stoccaggio/immagazzinamento (se richiesto); d) distribuzione; e) impiego finale.

[4] Documentazione completa reperibile tramite la fonte: https://www.h2it.it/

[5] La sfida primaria che qualsiasi metodo per catturare e riutilizzare la CO2 deve affrontare è il fatto che la molecola di anidride carbonica è la più stabile fra i composti del carbonio: scinderne i legami o legarla a qualsiasi altra sostanza comporta quindi sempre un alto costo energetico. Esistendo molteplici soluzioni per affrontare questo vincolo posto dalle leggi della termodinamica, le ricerche vertono su quella che richieda il minor consumo di energia possibile.

[6] L'elettrolisi è un processo in cui si usa energia elettrica per sviluppare reazioni chimiche. Il risultato, in molti casi, consiste nello scomporre una sostanza negli elementi che la formano. L'elettrolisi permette di produrre in grande quantità sostanze gassose come cloro e idrogeno ed è usata anche nell'industria per estrarre molti metalli dai minerali grezzi.

[7] Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico in grado di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua. Fonte: Enciclopedia Treccani.