Siamo attualmente sotto la stringente necessità di trovare nuovi modi di produrre, trasportare e consumare energia. In particolare, siamo alla ricerca di metodi che non implichino un impatto ambientale, come l’emissione di gas serra o inquinanti. L’idrogeno si propone come un valido vettore energetico per la conversione pulita di energia in quanto è un gas con alto contenuto energetico che può essere sia prodotto che utilizzato per la conversione in energia elettrica senza immissione di sostanze nell’ambiente circostante.
In questo articolo, approfondiamo le proprietà dell’idrogeno e le sue prospettive tecnologiche: partendo da alcune sue caratteristiche chimiche fondamentali, esaminiamo i principali metodi di produzione attuali e le problematiche connesse con lo stoccaggio e il trasporto di questo gas. Infine, chiariamo le principali linee di ricerca e sviluppo, nonché come si delineano le strategie per la diffusione dell’idrogeno nel prossimo futuro.
Questo ci aiuterà a comprendere meglio se davvero l’idrogeno potrà comportarsi come un mezzo energetico di ampia diffusione nel processo di transizione verde che abbiamo davanti.
Le proprietà dell’idrogeno
L’idrogeno (H) è l’elemento chimico più semplice della tavola periodica, si tratta dell’elemento più abbondante dell’universo, che costituisce il 75% della sua massa ed è sicuramente l’elemento più abbondante nelle stelle. Tuttavia, qui sulla Terra non possiamo trovarlo isolato, ma troviamo l’H sempre combinato con altri elementi: l’acqua, ad esempio, è una molecola formata da idrogeno e ossigeno; inoltre, l’idrogeno si trova anche in molti composti organici, in particolare negli “idrocarburi” derivati dal petrolio, che costituiscono molti dei nostri carburanti come il gasolio e il gas naturale[1].
Per tutti i principali usi finali, ciò che si utilizza è l’idrogeno in forma di gas (H2), composto da molecole formate da due atomi di idrogeno. In condizioni di pressione e temperatura ambiente, si tratta di un gas inodore ed incolore, caratterizzato da un’elevata reattività chimica e da un alto contenuto specifico di energia.
Ad esempio, se comparato con i più comuni combustibili l’idrogeno mostra una spiccata densità energetica per unità di massa (si veda figura in basso). Ad esempio, se consideriamo 1 kg di H2, il suo potere calorifico inferiore (l’energia rilasciata durante la combustione senza tener conto dell’energia contenuta nel vapore acqueo formatosi come prodotto) risulta essere pari circa a 2.8 volte quello del diesel[1]. Questo vuol dire poter ottenere maggiori energie motrici nelle automobili con minore massa di combustibile. Tuttavia, ai fini pratici, oltre che la densità in massa è molto importante considerare la densità energetica per unità di volume, ed in questo caso la situazione è nettamente invertita a sfavore dell’idrogeno: l’idrogeno in forma liquefatta risulta avere una densità energetica circa 4 volte inferiore rispetto a quella del diesel[2].
Confronto tra energia specifica per unità di massa (o densità gravimetrica) e per unità di volume (o densità volumetrica) per diversi combustibili, misurata come potere calorifico inferiore. Fonte[2]
Il potere calorifico inferiore esprime una misura del contenuto energetico per unità di massa del combustibile. In rapporto alla massa l’idrogeno ha una elevata densità energetica pari a 120 MJ/kg (33,33kWh/kg). 1 kg di idrogeno contiene circa la stessa energia di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina. In rapporto al volume invece si associa un contenuto energetico limitato (pari a 10,68 MJ/mc, 3kWh/mc). Nello stato liquido la densità energetica è pari a circa 1/4 di quella della benzina e circa 1/3 di quella del gas naturale.
L’altra caratteristica fondamentale dell’idrogeno è che si tratta di un vettore energetico completamente pulito. Infatti, nell’industria, l’idrogeno si utilizza in processi che non coinvolgono la formazione di sottoprodotti inquinanti e all’interno dei veicoli esso si utilizza per alimentare le celle a combustibile: dispositivi che convertono direttamente l’idrogeno in elettricità senza generare inquinanti o gas serra in loco.
In definitiva, l’idrogeno rimane molto interessante come combustibile pulito, ad alto contenuto di energia per massa e notevole reattività potenzialmente utile per processi chimici sostenibili. Tuttavia, esso deve essere opportunamente prodotto attraverso tecniche e processi specifici e possiede lo svantaggio di avere una bassa densità volumetrica, il che causa delle problematiche tecnologiche e di sicurezza nello stoccaggio e nel trasporto.
Nel seguito approfondiamo le tematiche della produzione e dello stoccaggio dell’H2, per guardare a come si sta agendo per superare questi ostacoli.
I maggiori processi di produzione dell’idrogeno: idrogeno blu e idrogeno verde
La maggior parte dell’idrogeno si produce attualmente usando come materiale di partenza il gas naturale, in una tecnica nota come Steam-Methane Reforming (SMR). Si tratta di un processo di produzione molto maturo attualmente, in cui si utilizza vapore ad alta temperatura (700°C-1.000°C) e pressione (3-25 bar) in una reazione con il metano in presenza di un catalizzatore (ad esempio al nichel) per produrre idrogeno e monossido di carbonio.
Si tratta dunque indiscutibilmente di una tecnica poco amica dell’ambiente, in quanto implica la dipendenza da un combustibile fossile, produce gas serra come sottoprodotti e richiede elevati consumi di energia per essere realizzata. L’idrogeno prodotto mediante questa tecnica viene usualmente denominato idrogeno grigio, e attualmente costituisce la maggiore frazione a livello globale[3]. L’efficienza del processo di Steam Reforming è del 65-75%, e l’efficienza massima teorica non può superare il 90% . Il motivo è dovuto alle alte temperature a cui avviene il processo (800-1100°), che si ottengono tramite la combustione del metano.
Al fine di integrare questa tecnica produttiva in processi più sostenibili, è possibile accoppiare la tecnica SMR con l’utilizzo di sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS). Si tratta di tecnologie progettate per sequestrare e contenere i gas serra immessi dagli impianti industriali, permettendo di ridurre la quantità di gas immessi nell’atmosfera. L’idrogeno prodotto utilizzando tecniche di cattura del carbonio emesso viene denominato idrogeno blu.
Attualmente, l’utilizzo di tecniche CCS è oggetto di un certo dibattito tra chi ritiene il loro utilizzo necessario almeno nel breve-medio termine per ridurre l’impatto ambientale delle tecniche di produzione più diffuse e chi invece ritiene che la produzione di idrogeno a partire da fonti fossili, anche se integrata con i CCS debba essere progressivamente abbandonata già dal momento attuale, in virtù di tecniche in partenza più sostenibili[4,5].
Quando invece si parla di idrogeno prodotto attraverso tecniche completamente indipendenti da fonti fossili, ci si riferisce spesso all’utilizzo dell’acqua come fonte primariae di fonti rinnovabili come sorgenti dell’energia necessaria alla produzione dell’H2. Il processo mediante il quale l’idrogeno si produce dall’acqua si chiama elettrolisi: si tratta della reazione che permette di ottenere ossigeno (O2) ed idrogeno (H2) a partire dall’acqua. Questa reazione per la produzione di H2 viene condotta in apposite celle elettrochimiche: gli elettrolizzatori.
Gli elettrolizzatori sono ad oggi una tecnologia già sviluppata e ampiamente disponibile commercialmente: attualmente sono stati realizzati elettrolizzatori adattabili dalla produzione su piccola scala, a impianti centralizzati su larga scala, collegabili ad esempio ad impianti di produzione di fonti rinnovabili[6]. Il punto chiave di questa tecnica è dunque proprio la fonte energetica primaria utilizzata per indurre lo splitting dell’acqua in ossigeno ed idrogeno, ed è cruciale la possibile sinergia con impianti di produzione da fonti rinnovabili come il fotovoltaico, l’eolico, l’idrotermico e il geotermico.
Ci sono più tecnologie di elettrolizzatori presenti sul mercato (Alcalina, PEM, AEM, SOEC, a doppio stadio), che sono approfondite in un altro articolo. Attualmente le efficienze del processo di idrolisi sono del 60-70% circa, con potenziali teorici anche superiori al 90%.
In generale, l’idrogeno prodotto utilizzando le rinnovabili come fonti primarie, in processi che non prevedono la produzione di gas serra è detto idrogeno verde: si tratta della forma completamente sostenibile sulla quale si è deciso di puntare per rendere la tecnologia ad idrogeno completamente compatibile con le necessità attuali di decarbonizzazione totale e processi di conversione dell’energia completamente non inquinanti.
Il problema dello stoccaggio dell’H2
L’altra limitazione alla diffusione di questa tecnologia ad idrogeno consiste nella difficoltà connessa con lo stoccaggio e il trasporto di questo gas.
Innanzitutto, la bassa densità energetica volumetrica dell’idrogeno rende necessario adottare particolari accortezze per renderne sufficientemente efficace la conservazione e il trasporto. Inoltre, notevoli misure di sicurezza devono essere adottate in questi processi, in quanto l’H2 è un gas altamente infiammabile e anche facilmente soggetto a perdite dai serbatoi.
Attualmente, sono state sviluppate molte tecniche per lo stoccaggio dell’H2[2], esse possono essere divise in:
- Tecniche fisiche di stoccaggio in forma gassosa o liquida: in particolare, lo stoccaggio come gas compresso richiede in genere serbatoi ad alta pressione (350-700 bar), mentre lo stoccaggio come liquido richiede temperature criogeniche, poiché il punto di ebollizione dell’idrogeno a una pressione di un’atmosfera è di -252,8°C.
- Tecniche basate su materiali: in queste tecniche, l’H2 può essere immagazzinato sulle superfici (per adsorbimento) o all’interno (per assorbimento) di vari materiali solidi come gli idruri metallici
Dopo le tecniche di produzione, i dispositivi di stoccaggio e la costruzione di infrastrutture per il trasporto dell’idrogeno costituiscono la seconda sfida tecnologica da superare per consentire una reale diffusione di questo mezzo di produzione di energia pulita.
Le nuove frontiere tecnologiche dell’idrogeno
Le tecnologie ad idrogeno sono dunque in rapida evoluzione, spinte da una domanda molto alta di sviluppo in varie aree, dall’industria ai trasporti.
Negli ultimi recenti anni, grossi sforzi sono stati effettuati globalmente a livello di ricerca e sviluppo per individuare metodi innovativi di produzione completamente pulita dell’idrogeno e renderli rapidamente maturi per una diffusione su larga scala.
Alcuni di questi metodi particolarmente promettenti sono quelli basati sui processi di splitting fotoelettrochimicodiretto dell’acqua. In questi metodi, l’H2 si produce utilizzando speciali materiali fotoelettrochimici, che sfruttano l’energia luminosa del sole per dissociare direttamente le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Sebbene la ricerca sullo sviluppo di materiali e dispositivi stiano facendo importanti passi avanti, si tratta di un percorso tecnologico a lungo termine e continui miglioramenti in termini di efficienza, durata e costi sono necessari per raggiungere lo stadio della commercializzazione[7].
Un’altra simile ma altrettanto interessante prospettiva tecnologica a lungo termine per la produzione di idrogeno verde è quella dei dispositivi fotobiologici: questi ultimi utilizzano microorganismi (come micro alghe o cianobatteri) per produrre idrogeno partendo da acqua o altri composti organici sostenibili. Tuttavia, anche per vedere questi dispositivi diffusi nel prossimo futuro saranno necessari ulteriori passi decisivi a livello di ricerca sia a livello di base che a livello tecnologico-applicativo[8].
Secondo il report “Global Hydrogen Review 2024” dell’International Energy Agency (IEA)[9], la domanda globale di idrogeno è aumentata del 2.5% nel 2023 rispetto al 2022 ed è in netto aumento il numero di progetti per la produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi, così come quelli per la produzione di idrogeno blu tramite tecnologie CCS. Tuttavia, il report mostra anche come la maggior parte della produzione potenziale sia ancora in fase di pianificazione o ad uno step ancora precedente. Inoltre, diversi progetti hanno subito ritardi e cancellazioni, principalmente a causa segnali di domanda poco chiari, ostacoli finanziari e sfide operative.
Da un punto di vista di ricerca e sviluppo, i più grandi investimenti sono stati effettuati proprio nei metodi di produzione sostenibili, e alcuni tra gli sforzi iniziali stanno ora dando i propri frutti a livello di soluzioni di valore tecnologico per gli usi finali, come testimoniato dall’aumento di domande di brevetto in questo settore che è aumentato del 47% nel 2022. Tra le raccomandazioni che il report cita per promuovere questa tecnologia troviamo l’accelerazione della creazione di domanda di idrogeno a basse emissioni sfruttando i poli industriali e gli appalti pubblici, il rafforzamento della regolamentazione e la certificazione dei contributi ambientali per l’idrogeno a basse emissioni, l’identificazione di opportunità per lo sviluppo delle infrastrutture necessarie.
In definitiva, la tecnologia ad idrogeno si presenta come promettente per il nostro futuro sotto vari aspetti, e notevoli progressi sono in corso a livello di sviluppo delle tecnologie di base che sulle regolamentazioni e pratiche necessarie alla loro implementazione. È dunque ipotizzabile che dei colli di bottiglia per questa tecnologia si verifichino dunque sia dal lato tecnologico di base che dal lato logistico. Inoltre, un grosso ruolo nel determinare la domanda per lo sviluppo dei dispositivi ad idrogeno è giocato dallo sviluppo di tecnologie alternative di energia sostenibile, sempre fondate sull’uso delle rinnovabili ed elettricità pulita.
Che aspetti quindi? Unisciti a noi e segui l’avvento del futuro green partecipando in prima persona!
ELENCO DELLE FONTI:
[2]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
[6]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis
[7]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-photoelectrochemical-water-splitting
[8]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-photobiological
