H2Technology Consortium

IDROGENO

CHE COS’E’?

L’idrogeno, il primo elemento della tavola periodica, è l’elemento più antico e più abbondante nell’universo. Il 75% della massa dell’universo è composta di idrogeno. Due atomi di idrogeno si combinano tra loro e danno origine a molecole gassose (H2). Il gas è incolore e inodore.

PERCHÉ È IMPORTANTE?

L’idrogeno può essere impiegato come un “vettore energetico”, grazie alla capacità di accumulare in sé energia. L’idrogeno può essere immagazzinato e poi trasformato al bisogno in energia elettrica termica per secondi, minuti, settimane o perfino mesi come una fonte di energia più ecologica.

Questo avviene nelle celle a combustibile (fuel cells). L’energia elettrica è generata grazie alla reazione dell’idrogeno con l’ossigeno dell’aria. Poiché l’unico sottoprodotto da tale reazione è l’acqua, quando l’idrogeno viene realizzato utilizzando energia da fonti rinnovabili, questo processo ha un bassissimo impatto ambientale.

LE INDUSTRIE LO USANO GIA’?

L’idrogeno s’impiega a livello industriale da molto tempo, principalmente nella produzione di ammoniaca, di fertilizzanti e nella lavorazione dei derivati del petrolio. Sebbene i potenziali benefici dell’idrogeno siano noti da decenni, diversi fattori ne hanno rallentato l’adozione: principalmente il costo di produzione, la mancanza di sistemi adatti per il trasporto e la distribuzione e la limitazione dei mercati commerciali.

Ma l’urgenza globale di rallentare il cambiamento climatico rende necessaria la sua diffusione e sta portando le più grandi compagnie energetiche del mondo a vederlo come un’alternativa più pulita rispetto al petrolio e del gas, che consentirebbe tuttavia loro di adottare, debitamente riconvertiti, gli impianti di produzione e le reti di distribuzione esistenti. L’importanza delle tecnologie energetiche basate sull’idrogeno è stata riconosciuta dai governi e dai leader del settore in tutto il mondo ed in paesi come Stati Uniti, Germania, Francia, Italia e Regno Unito, oltre che in Cina, Giappone e Corea. In linea di principio, tutti i paesi guidati dall’industria non solo hanno compreso il ruolo che può avere l’idrogeno nel raggiungere gli obiettivi climatici, ma hanno anche iniziato a sostenere progetti che ne vedono l’utilizzo.

DOVE SI TROVA IN NATURA?

L’idrogeno non esiste allo stato libero sul nostro pianeta. Non ci sono giacimenti di idrogeno. Si trova associato ad altri elementi, in molecole, come l’H₂O, l’acqua. La ragione per cui si pensa all’idrogeno per la decarbonizzazione è proprio perché, quando è convertito per generare energia, “bruciato” per così dire, emette acqua e non CO2.

Può essere prodotto attraverso diversi processi.

Può essere ” bruciato”, reagendo con ossigeno e producendo energia termica. Oppure inserito in una cella a combustibile, dove produce energia elettrica. Il primo sistema può essere utile per convertire mezzi (auto, camion, treni, navi, aerei) attualmente alimentati a diesel o a benzina, in particolare quelli che non potrebbero essere convenientemente alimentati a batteria (spec. camion, navi, aerei).

I colori dell'idrogeno

A dispetto del fatto che l’idrogeno molecolare sia incolore, si sente parlare di idrogeno verde, blu, grigio, viola….Il colore attribuito dipende dal modo con cui l’idrogeno viene prodotto.

È quello realizzato o tramite il cd. “steam reforming”, ovvero tramite la reazione di un idrocarburo (normalmente il metano) ed il vapore acqueo, oppure tramite elettrolisi dell’acqua utilizzando energia elettrica prodotta da fonti fossili. Attualmente, oltre il 96% dell’idrogeno prodotto è “grigio”.

È realizzato tramite il cd. “steam reforming”, tuttavia la notevole quantità di CO2 propria di questo processo viene “catturata” e stoccata (normalmente in giacimenti esauriti di idrocarburi, CCS – Carbon Capture and Storage), si tratta tuttavia di un processo complesso, costoso e poco efficiente.

È quello realizzato tramite elettrolisi utilizzando l’energia elettrica fornita dalle centrali nucleari, normalmente quando la domanda di elettricità si riduce (es. di notte) ma le centrali in questione continuano a produrre la stessa quantità di energia.

È realizzato – normalmente tramite elettrolisi dell’acqua – utilizzando energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (eolico, fotovotaico,…). L’impatto ambientale del sistema è il più basso ed è dato dall’energia incorporata nei componenti del processo di produzione e da quello proprio delle fonti rinnovabili. Oggi si produce in questo modo circa il 4-5% percento dell’idrogeno, tuttavia, alla luce della progressiva riduzione del costo dell’energia solare ed eolica e degli elettrolizzatori, questa modalità di produzione può rivelarsi un game-changer per la transizione energetica, spiega Marco Alverà, CEO di SNAM.

I VANTAGGI DELL'IDROGENO VERDE COME VETTORE ENERGETICO

Può essere utilizzato in modo flessibile per soddisfare la domanda di energia in diversi settori e contribuisce a ridurre le emissioni specifiche di carbonio.

I benefici possono essere riassunti come segue:

Il picco dell’energia viene prodotta da fonti di rinnovabili, consentendo l’immagazzinamento e la distribuzione di energia pulita.

Vengono evitati elevati investimenti in nuove infrastrutture di distribuzione, utilizzando le infrastrutture esistenti (ad es. gasdotti per il gas naturale), adeguatamente adattati, per la trasmissione e la distribuzione.

Attualmente è disponibile una grande capacità di stoccaggio, necessaria per disaccoppiare la produzione fluttuante di energia dal consumo energetico.

Consente la riduzione delle emissioni di carbonio in diversi settori, come i trasporti, la produzione industriale o gli edifici.

Come si trasporta?

L’idrogeno è adatto ad essere trasportato nei gasdotti esistenti e può fungere quale mezzo più efficiente ed economico rispetto alle batterie per lo stoccaggio di energia elettrica. Può favorire la decarbonizzazione di vari settori industriali, tra cui in particolare quelli la cui elettrificazione è difficilmente applicabile, quali i trasporti pesanti. Ha un costo di trasporto inferiore all’elettricità, spiega SNAM, le cui reti di trasmissione del gas sono compatibili con il trasporto dell’idrogeno liquido o pressurizzato.

Il trasporto di idrogeno puro avviene oggi in reti – chiamate “idrogenodotti” – della lunghezza di pochi chilometri. In genere l’idrogeno è miscelato al gas metano. Quando arriva a destinazione può essere usato come miscela combustibile (in alcuni casi può migliorare il rendimento di motori o turbine) oppure può essere separato. Per separare grandi quantità di idrogeno, occorrono però nuove tecnologie, che sono in fase di sviluppo.

L’idrogeno può essere trasportato in fase gassosa anche mediante carri bombolai o come liquido criogenico, per lunghe distanze e grandi quantità. Recentemente sono stati proposti i LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers), composti organici in grado di trasportare idrogeno a bassi costi, spiega Marcello Baricco, professore di Metallurgia e Impianti chimici dell’Università di Torino, membro del comitato scientifico di FCH JU e di H2IT e coordinatore del progetto HyCARE.

Come può essere immagazzinato?

Il modo più semplice ed economico è l’immagazzinamento sotto forma di gas compresso in bombole. Nelle applicazioni su autoveicoli, si usano pressioni molto elevate (fino a 700 atmosfere), che permettono di avere serbatoi più piccoli. I serbatoi realizzati con materiali compositi arrivano ad essere fino a tre-quattro volte meno pesanti. L’idrogeno immagazzinato in forma liquida è meno voluminoso, ma va mantenuto a -253° C, con grande dispendio di energia, in opportuni serbatoi.

Altre tecnologie sfruttano la capacità dell’idrogeno di legarsi a composti chimici o a leghe metalliche (idruri) per permetterne l’accumulo. Si pensa anche di sfruttare il fenomeno dell’assorbimento dell’idrogeno a strutture altamente porose, quali per esempio i MOF (Metallic Organic Framework). In questo ambito, è stato anche proposto l’utilizzo di nanotubi e nano fibre di carbonio.

STOCCAGGIO, IL TRASPORTO E LA DISTRIBUZIONE DELL'IDROGENO:
LE PROSPETTIVE

L’idrogeno è una risorsa fondamentale, che permette una riduzione sostanziale dell’impatto ambientale nella produzione e distribuzione dell’energia.

Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo, è necessario superare diversi ostacoli riguardanti lo stoccaggio, il trasporto e la distribuzione dell’idrogeno.

Forse la sfida più grande nell’utilizzo delle capacità energetiche dell’idrogeno è che questo gas ha una densità estremamente bassa: – 3,2 volte inferiore a quella del gas naturale, e 2.700 volte inferiore a quella della benzina. L’idrogeno deve quindi essere compresso o liquefatto per essere competitivo in termini di costi rispetto ad altre forme di energia.

Tuttavia, il raggiungimento di questo obiettivo presenta una serie di sfide e difficoltà tecniche:

  • l’idrogeno compresso è altamente esplosivo
  • l’idrogeno si liquefa a -253°C, rendendo questa una forma di stoccaggio energeticamente dispendiosa alle tecnologie attuali
  • le normative per l’immagazzinamento dell’idrogeno variano in modo significativo da un paese all’altro
  • miscelare l’idrogeno in modo sicuro con il gas naturale richiede soluzioni particolari
  • l’idrogeno infragilisce i componenti e i materiali di stoccaggio
Il ruolo chiave comunque è dettato dall’abbassamento del costo di produzione dell’idrogeno. La gara tra le diverse tecnologie per gli elettrolizzatori è molto aperta e il margine di riduzione dei costi molto ampio, in particolare con la crescita dell’industrializzazione dei processi produttivi e con la scala degli acquisti, e questo ci va ben sperare, insieme alle politiche dei Paesi industrializzati, che entro il 2030 il mercato dell’idrogeno inizierà a sostituire una parte sempre più crescente dell’energia prodotta da fonti fossili.