L’idrogeno verde per un futuro sostenibile

di Thomas Donnelly

 

L’elettrificazione gioca un ruolo chiave nello sforzo di garantire un futuro sostenibile, contrastando la crisi climatica attraverso la limitazione dell’innalzamento delle temperature oltre 1,5 C^o, come stabilito dall’Accordo di Parigi e ribadito alla recente COP26.

Per raggiungere questo obiettivo è necessario investire sulle risorse rinnovabili quali il vento, il sole e l’acqua. Ma non solo: anche l’idrogeno può essere un alleato importante nel processo di decarbonizzazione e, in particolar modo, per alcuni settori strategici come l’industria chimica, la siderurgia, l’aviazione e il trasporto marittimo, attività che necessitano di grandi quantità di energia.

Secondo un report pubblicato nel 2020 dall’International Energy Agency (IEA), intitolato The future of hydrogen, la produzione mondiale attuale di idrogeno si stima ammontare a circa 70 milioni di tonnellate l’anno. Tuttavia, questo tipo di idrogeno è prodotto principalmente da combustibili fossili, in particolare dal gas naturale e dal carbone, generando grandi quantità di emissioni inquinanti. Questa forma di idrogeno è nota come “idrogeno grigio”. 

Esiste poi l’idrogeno prodotto per elettrolisi con grandi quantità di energia elettrica, che si suddivide in due categorie: l’“idrogeno rosa”, ovvero idrogeno prodotto grazie all’energia nucleare e l’“idrogeno verde”, unico idrogeno interamente sostenibile che viene prodotto attraverso l’elettricità generata da fonti rinnovabili.

 

Che cos’è l’idrogeno?

L’idrogeno è il più leggero tra gli elementi che compongono la materia ed è anche il più abbondante. Costituisce, infatti, il 90% della massa visibile dell’universo, per la maggior parte nella sua forma gassosa, costituita da una semplice molecola a due atomi (H₂) che, in un’ atmosfera ricca di ossigeno come quella terrestre, brucia in maniera simile al metano o al gas di petrolio liquefatto. Tra i combustibili convenzionali, è quello con il massimo contenuto di energia per unità di peso: tre volte superiore a quello della benzina utilizzata nelle celle a combustibile, si combina con l’ossigeno per produrre energia elettrica e acqua (cfr. enel green power).

Nonostante l’idrogeno sia l’elemento più abbondante nell’universo, esso non è disponibile come elemento puro in natura. Infatti è possibile trovarlo solo legato ad altri elementi, come ad esempio nell’acqua (ossigeno e idrogeno) o negli idrocarburi (idrogeno e carbonio). Per separarlo dagli altri elementi con cui si trova legato, è necessario fornire dell’energia che favorisca il processo di separazione: quando si esegue la separazione utilizzando carburanti fossili, occorre sostenere i costi economici e spesso anche ambientali dell’operazione.

Come già menzionato soltanto “l’idrogeno verde”, ottenuto separando l’idrogeno dall’acqua con un processo di elettrolisi alimentato da energia rinnovabile, è davvero a impatto zero, senza emissioni inquinanti e senza il consumo di risorse naturali non rinnovabili.

 

Perché è così importante l’idrogeno?

Già nel 2002 l’Unione Europea aveva pubblicato un Libro Verde sull’energia che delineava “una strategia di sicurezza per l’approvvigionamento energetico”, arrivando alle seguenti conclusioni:

1. i consumi sono crescenti, le risorse in declino: ciò implica una crescente dipendenza energetica;

2. nessuna opzione energetica da sola può soddisfare il fabbisogno dell’Unione Europea;

3. le fonti rinnovabili potranno dare, anche nel medio termine, un contributo modesto;

4. il margine di manovra dell’Unione Europea sull’offerta di energia è limitato.

Il libro Verde concludeva che sono necessarie politiche di diversificazione energetica e di eco-efficienza. 

È proprio nella diversificazione energetica che l’utilizzo dell’idrogeno potrebbe risultare vantaggioso. Esso, infatti:

1. può essere usato per lo stoccaggio di energia, nei casi di surplus di produzione elettrica, in quanto l’idrogeno è un vettore energetico e non una risorsa energetica;

2. può ridurre l’impatto degli idrocarburi, perché quando viene utilizzato come combustibile rilascia solo vapore acqueo e ossidi di azoto;

3. può esere ricavato direttamente dall’energia solare, come nel caso della Heliogen in California, uno degli obiettivi più ambiziosi per la sostenibilità energetica e il contrasto al cambiamento climatico (cfr. Luzzati et al., Idrogeno, fonti rinnovabili ed eco-efficienza, 2004).

Venkat Venkataraman, CTO di Bloom Energy, sostiene che l’unico modo per raggiungere gli obiettivi di carbon neutrality entro il 2050 è attraverso l’utilizzo dell’idrogeno. Anche Bill Gross, fondatore e CEO della compagnia californiana Helion, ha dichiarato che “l’idrogeno è una molecola, quindi può essere messa sulle navi. Non puoi mettere elettroni su una nave – non si può creare energia solare nel deserto australiano e spostare quegli elettroni al Giappone”. In sintesi: “L’idrogeno verde renderà finalmente possibile il trasporto dell’energia rinnovabile”.

Per concludere, riportiamo qui di seguito il commento di Roy Virgilio, fondatore del sito  Energetica Ambiente:

“Partendo dal presupposto che le energie rinnovabili dovranno fare ancora un grosso balzo in avanti per diventare la fonte primaria di alimentazione di questo mondo sotto stress, è molto probabile che in ogni caso assisteremo ad un abbandono progressivo alla combustione (sia essa di fossili che di biocombustibili), che ci porterà verso un utilizzo diretto dell’energia elettrica. Questo è un bene poiché aumenteremo le efficienze in gioco e diminuiremo i passaggi energetici che causano sempre degli sprechi”.

Ma quale sarà la tipologia di vettore/accumulatore energetico che utilizzeremo per questa transizione? La sfida sarà giocata principalmente tra batterie di varia composizione e l’idrogeno.

Le batterie attuali sono ancora un grosso freno allo sviluppo della filiera elettrica, poiché utilizzano metalli rari, sono inquinanti e costosi, e le performance non sono di livello sufficiente, né sotto il profilo della densità energetica né sotto il profilo della durata. 

L’idrogeno, dal canto suo, richiede di dover accettare spese energetiche ingenti per ottenere un prodotto di qualità adeguato per un utilizzo di successo con le fuelcell. La sua produzione, pur ammesso che avvenga solo da fonti rinnovabili, si scontra con le difficoltà dell’elettrolisi e di tutta la filiera che è necessaria per la creazione, il trasporto e lo stoccaggio di un elemento molto “vivace” e pericoloso.

In questo momento non esiste una risposta definitiva: è probabile che i due sistemi si affiancheranno e che uno dei due prevarrà in base all’avanzamento tecnologico che farà fare un salto di qualità a una delle due tecnologie.

Ma una cosa è certa: per caricare una batteria o per ottenere idrogeno libero c’è bisogno di energia, ed è essenziale che questa sia rinnovabile. Quindi la priorità è quella di investire nelle tecnologie di produzione energetica “pulita”. Poi penseremo a come gestirla al meglio.

 

Thomas Donnelly è studente del corso di laurea in Scienze per la Pace dell’Università di Pisa e svolge attualmente il tirocinio presso il Centro Interdisciplinare “Scienze per la Pace”.