La filiera dell’idrogeno
Dato che l’idrogeno atomico è composto da un protone e un elettrone non tanto è il primo, più leggero e più abbondante elemento chimico nell’universo, ma soprattutto è il più indicato vettore energetico per affiancare la crescente elettrificazione. In quanto elemento chimico può fungere da stoccaggio energetico a lungo termine (non possibile per l’elettricità e non soggetto ad autoscarica come le batterie) e, essendo composto solo da 1 protone e 1 elettone, può produrre facilmente elettricità combinandosi con l’ossigeno dell’aria e generando solo acqua o essere facilmente prodotto dall’acqua tramite elettricità generando anche ossigeno. Difatti, l’idrogeno atomico sulla terra è principalmente presente in forma combinata con l’ossigeno nell’acqua (H2O) e con anche il carbonio nei composti organici (COxHy).
Nelle condizioni standard, cioè a pressione atmosferica e temperatura ambiente, si combina in forma di gas biatomico, detto generalmente idrogeno, avente formula H2 che è un gas incolore, inodore, insapore, infiammabile e con la più alta densità energetica in peso (1 kg di H2 contiene 120 MJ = 33 KWh = 2.1 kg di gas naturale o 2.8 kg di benzina) ma la più bassa densità energetica in volume tra i combustibili (gassoso e con densità di 11.123 litri per kg). Ciò comporta che devono essere utilizzati volumi maggiori e stoccaggi ad alta pressione per soddisfare la stessa domanda e lo stesso stoccaggio di energia rispetto a benzina e gas naturale.
Gli svantaggi di non essere disponibile in natura se non combinato e l’essere leggero, sono ampiamente compensati dalla sua versatilità in termini sia di produzione (dall’acqua con elettricità o da idrocarburi e composti organici senza elettricità), sia di utilizzo (stoccaggio energetico, calore, elettricità-idrogeno-elettricità ad alta efficienza e basse emissioni tramite celle per cui con rendimenti 2-3 volte maggiori di motori e turbine). Quindi è il miglior vettore energetico per lo stoccaggio elettrico e la decarbonizzazione di settori non elettrificabili come i trasporti e le industrie pesanti (petrolchimica, acciaierie, ecc…).
Nelle condizioni standard, cioè a pressione atmosferica e temperatura ambiente, si combina in forma di gas biatomico, detto generalmente idrogeno, avente formula H2 che è un gas incolore, inodore, insapore, infiammabile e con la più alta densità energetica in peso (1 kg di H2 contiene 120 MJ = 33 KWh = 2.1 kg di gas naturale o 2.8 kg di benzina) ma la più bassa densità energetica in volume tra i combustibili (gassoso e con densità di 11.123 litri per kg). Ciò comporta che devono essere utilizzati volumi maggiori e stoccaggi ad alta pressione per soddisfare la stessa domanda e lo stesso stoccaggio di energia rispetto a benzina e gas naturale.
Gli svantaggi di non essere disponibile in natura se non combinato e l’essere leggero, sono ampiamente compensati dalla sua versatilità in termini sia di produzione (dall’acqua con elettricità o da idrocarburi e composti organici senza elettricità), sia di utilizzo (stoccaggio energetico, calore, elettricità-idrogeno-elettricità ad alta efficienza e basse emissioni tramite celle per cui con rendimenti 2-3 volte maggiori di motori e turbine). Quindi è il miglior vettore energetico per lo stoccaggio elettrico e la decarbonizzazione di settori non elettrificabili come i trasporti e le industrie pesanti (petrolchimica, acciaierie, ecc…).
Poichè l’idrogeno deve essere prodotto artificialmente, sebbene sia incolore, viene classificato con oltre 50 colori diversi a seconda delle emissioni di CO2 dei differenti metodi di produzione. I principali colori sono, in ordine decrescente di emissioni: “marrone/nero/grigo”, “viola/rosa/rosso”, “blu”, “turchese” “verde” se è ricavato, rispettivamente, da lignite/carbone/gas naturale, da nucleare, da fossili con sistema di cattura della CO2, con produzione di carbonio solido, da rinnovabili.
L’idrogeno verde è prodotto tramite un processo elettrochimico chiamato elettrolisi che utilizzando l’elettricità da fonte rinnovabile, rompe la molecola d’acqua separando l’idrogeno dall’ossigeno. La reazione avviene grazie a due elettrodi tra i quali è interposto un elettrolita che può essere solido, elettrolizzatori ad ossido solido (SOEC), o una soluzione in fase liquida, come nel caso delle celle alcaline, o polimerico (PEM). Quando sono sottoposti ad un campo elettrico, le cariche positive (cationi) e negative (anioni) dell’acqua si muovono ordinatamente verso l’elettrodo di carica opposta. Giunti sulla superficie degli elettrodi, i cationi si riducono, acquistando elettroni, mentre gli anioni si ossidano, cedendo elettroni. Avvengono quindi due semireazioni, che nel complesso costituiscono una reazione di ossido riduzione (redox) con la quale si ottiene la decomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno.
Sono molteplici anche i sistemi di stoccaggio, trasmissione e distribuzione dell’idrogeno dipendendo dagli specifici sistemi di produzione, volumi, flussi, distanze e usi. Difatti, sebbene tali sistemi seguono i tradizionali sistemi dei gas (e.g. gas compresso in piccole o grandi bombole e tubazioni di gas puro o miscelato, come idrogeno nella rete del gas naturale, gas liquefatto) nel caso dell’idrogeno sono da un lato complicati bassa densità come gas e dal punto di fusione a -259 °C, dall’altro sono facilitati dalla versatilità in produzione e uso che consente all’idrogeno di essere prodotto e essere estratto anche da molteplici vettori energetici come metanolo, ammoniaca, ecc.
Come evidenziato nelle figure, la maggior parte della domanda attuale di idrogeno è dominata dal settore industriale. In particolare, i quattro maggiori consumatori sono: il settore della raffineria (33%), la produzione di ammoniaca (27%), la produzione di metanolo (11%) ed infine la produzione di acciaio (3%). Tuttavia è nel settore dei trasporti dove si preannuncia il maggior incremento della richiesta di idrogeno nei prossimi decenni, il cui valore potrebbe raggiungere le 285 milioni di tonnellate nel 2050. Non è solo il trasporto su gomma a trainare la domanda, l’idrogeno giocherà un ruolo fondamentale anche nella decarbonizzazione del trasporto ferroviario, specialmente per trasferimenti su linee non ancora elettrificate e su nuove linee data la non necessità di linee elettriche. Infine, sono allo studio applicazioni anche al settore marittimo e dell’aviazione. Infatti, dato il più alto contenuto energetico, le zero-emissioni (se prodotto da energia rinnovabile) e le elevate efficienze di conversione nelle celle rispetto ai motori, rendono conveniente l’uso nei trasporti dell’idrogeno anche ad un costo di 2-3 volte maggiore degli attuali combustibili.
The LIFE3H project has received funding from the LIFE Programme of the European Union
LIFE3H - LIFE20 ENV/IT/000575
