L’idrogeno: la nuova sfida del rinnovabile

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Composizione

L’idrogeno è il primo elemento della tavola periodica il più piccolo per massa e per carica elettrica relativa.

E’ il componente iniziale di tutte le stelle di prima generazione e l’elemento più abbondante nell’universo: tutta l’energia e la materia, devono in qualche misura, la loro esistenza a questo elemento.

Le interazioni che questo atomo forma con il resto della materia sono “particolari” per non dire uniche: basti pensare al legame idrogeno ed alle insolite capacità chimiche dell’acqua.

Da sempre questo elemento è sotto i riflettori delle ricerche più complesse ed innovative, sia per la sua struttura “semplice” che per la sua carica elettrica facilmente riproducibile: le ricerche in ambito di fusione nucleare e larga parte dello studio della meccanica quantistica sono incentrate tutte sull’idrogeno.

Negli ultimi anni, lo studio di questo elemento, ha fornito molti aspetti positivi anche in ambito energetico: produrre energia elettrica dall’idrogeno avendo come scarto solo acqua purissima!

La natura ha tutte le risposte o come insegna Leonardo “la scienza imita la natura”, così ci si ritrova sempre a dover ricorrere a strategie semplici, quasi scontate. Chi lo avrebbe mai pensato che la soluzione al problema energetico e dell’inquinamento passasse per la creazione di “chiare, fresche et dolci acque”?

 

Celle a Combustibile

Passiamo ora alla parte tecnica: come si produce, di fatto, l’energia a partire da una molecola di idrogeno (H2)?

Per questo processo ci si affida ad uno strumento chiamato Cella a Combustibile, simile alle comuni pile ma si differenzia da quest’ultime per essere solo uno strumento di trasformazione e non di stoccaggio (le celle a combustibile necessitano di un serbatoio di idrogeno a parte).

Come le comuni pile, le celle a combustibile sono formate da un polo negativo (anodo) ed uno positivo (catodo) ai quali si può attaccare un carico elettrico per sfruttare la produzione di elettroni, quindi di energia elettrica.

Nella cella anodica (-) viene inserito idrogeno puro che reagisce con l’ossigeno inserito nella cella catodica (+). La reazione libera elettroni che fluiscono tra i poli (produzione energia elettrica) e rilascia acqua pura e idrogeno in eccesso che verrà recuperato nel ciclo successivo.

E’ bene sottolineare che esistono diverse tipologie di celle a combustibile, classificate sia in base alla temperatura di lavoro che al tipo di elettrolita utilizzato tra i due elettrodi, nonostante il funzionamento dal punto di vista chimico sia praticamente identico.

Le celle a combustibile offrono vantaggi di conversione energetica maggiori rispetto alle normali tecnologie di produzione (ad esempio turbine o cicli termici), in quanto non sono soggette alle limitazioni di rendimento dettate dai principi della termodinamica o dai fenomeni di attrito fisico delle parti meccaniche.

 

Produzione

Se la produzione energetica, a partire dall’idrogeno, sembra essere così semplice ed immediata, non lo è la produzione o lo stoccaggio. Per produzione si intende l’estrapolazione dell’idrogeno dall’acqua secondo processi biologici o chimici. Proprio questi infatti sono gli unici due metodi attualmente conosciuti e sotto fase di sviluppo.

Dal punto di vista Biologico, il compito di ottenere l’idrogeno a partire dall’acqua pura è assegnato ad alcuni specifici organismi acquatici come alghe o particolari batteri, che letteralmente si nutrono di acqua espellendo idrogeno molecolare. Il problema di questa tecnica risiede nel tempo di produzione: tutti i processi biologici infatti sono molto lenti e producono quantità esigue di idrogeno, ragione per cui il metodo “biologico” non viene considerato al di fuori dei campi di ricerca.

La produzione per via chimica (o elettrolisi), invece, è quella più apprezzata nel campo reale poiché permette di produrre alte quantità di idrogeno in tempi brevi, ma richiede alte quantità di energia elettrica per funzionare. La ricerca infatti si sta concentrando proprio sulla riduzione di tale energia elettrica richiesta e sull’aumento dell’efficienza delle celle a combustibile, così da ottenere più energia per kg di Idrogeno impiegato.

Il funzionamento dell’Elettrolisi è esattamente il processo che avviene all’interno di una Cella a combustibile, con la differenza che viene percorso in senso inverso: la corrente elettrica viene fornita dall’esterno, fluisce dal polo positivo verso quello negativo e scinde l’acqua in idrogeno e ossigeno.

Il motivo per cui questo combustibile non sia mai stato utilizzato prima è da ricercare proprio nella bassa efficienza delle Celle a combustibile, che rendevano vano l’estrapolazione dell’idrogeno per Elettrolisi: era consuetudine spendere più energia per produrre idrogeno di quanta se ne ricavava dal processo in una cella a combustibile.

Un altro problema della produzione dell’idrogeno risiede nella natura dell’energia elettrica fornita al processo di elettrolisi; sarà idrogeno grigio se prodotto con energia derivante da fonti fossili (centrali a gas, carbone o olio combustibile); idrogeno blu se prodotto con energia da fonti fossili ma in impianti con filtri per lo stoccaggio e la cattura della CO2 (quindi non inquinante per l’ambiente); di idrogeno verde se prodotto con energie rinnovabili. Attualmente il 95% dell’idrogeno prodotto è di natura Grigia.

Stoccaggio

Un ulteriore punto, spesso non citato volontariamente, è il problema dello stoccaggio dell’idrogeno: questa molecola viene prodotta in forma gassosa, e alle attuali temperature ambientali resta certamente a livello gassoso. Per trasportare una quantità rilevante di idrogeno, sia per usi industriali che per usi civili (tipo le automobili), abbiamo bisogno di progettare un sistema ad hoc.

Attualmente sotto indagine ci sono diverse soluzioni che prevedono o l’aumento di pressione fino a 300 bar oppure l’abbassamento di temperatura al di sotto dei -260°C. Entrambi i metodi vengono utilizzati per rendere l’idrogeno liquido, in questa forma infatti, è possibile trasportare un quantitativo di 1000 volte maggiore rispetto alla forma gassosa.

Altre ricerche invece sono volte a garantire la sicurezza di questo stoccaggio, ad esempio inserendo l’idrogeno all’interno di idruri metallici (composti di idrogeno che assomigliano a spugne), permettendo così il trasporto della sostanza in forma solida, ma da sottoporre ad un ulteriore trattamento per riottenerla in forma gassosa (quindi poco pratico per cicli rapidi di produzione/consumo).

Conclusioni

L’Idrogeno sarà sicuramente il combustibile del futuro, vedrà la sua ascesa graduale nei prossimi 30 anni, periodo che permetterà la riconversione di gran parte dei poli industriali/produttivi con il favore di tutte le grandi aziende energetiche che guideranno questa nuova era.

Di conseguenza, grazie anche ai movimenti ecologisti/ambientalisti, la scena politica ha iniziato a porsi delle domande sul reale impatto dell’uomo sul pianeta terra, per renderlo il meno inquinante.

Attualmente la situazione in Italia, come nel mondo, è ancora a livello embrionale, e diversi sono i problemi legati a questa nuova tecnologia soprattutto nel campo della sicurezza. I siti di stoccaggio e le modalità di trasporto, non essendo univocamente determinate, possono creare situazioni di rischio.

Un esempio è la centrale di Fusina (Venezia), la più grande in Europa a funzionamento totale di Idrogeno, con una potenza installata di 15 MW per un investimento iniziale di 50 Milioni di euro.

Il problema principale diventa quello di produrre un quantitativo così elevato di Idrogeno da soddisfare non solo la richiesta per la produzione energetica, ma anche quella dei poli industriali e degli autotrasporti (dai treni alle comuni automobili). Nei prossimi anni avremo la creazione di impianti di produzione di Idrogeno e le nuove proposte dovranno essere orientate su tali modalità.

Proposte

Una delle soluzioni migliori potrebbe essere la produzione di Idrogeno Verde, utilizzando fonti di energia rinnovabile per alimentare il processo di elettrolisi. Questo meccanismo, totalmente a favore dell’ambiente, non solo sarebbe soggetto alle condizioni climatiche (problema delle energie rinnovabili) ma si troverebbe a dover affrontare tutti i problemi di sviluppo delle rinnovabili: rapporto €/KW troppo elevato, vaste aree sfruttate (per i pannelli Fotovoltaici) o impatto visivo (per le pale eoliche).

L’idrogeno riuscirà a soppiantare le risorse fossili nel momento in cui avrà i loro stessi pregi (disponibilità, dispacciamento, energia fornita) senza tutti i difetti legati all’inquinamento.

Per attuare questo, bisognerà produrre Idrogeno in tutti quei siti che già producono energia elettrica, così da averne una grande quantità disponibile per l’elettrolisi ma ponendo dei limiti sulla quantità di idrogeno Grigio producibile. Un esempio potrebbe essere 70% grigio e 30% Blu. Da una parte potrebbe garantire l’installazione di filtri e la cattura di CO2 in quei siti produttivi che sono altamente inquinanti (condizione necessaria per la tipologia Blu di Idrogeno), mentre dall’altra garantirebbe un valore maggiore di idrogeno prodotto (aimè di tipo Grigio ma comunque sarebbe un inizio).

Quello di cui abbiamo bisogno in questa “prima fase” è la semplificazione per l’accesso all’idrogeno: da una parte la riconversione, dall’altra la produzione. In questo modo, aumentando la domanda di Idrogeno, la produzione diventerà necessaria e quello che inizialmente verrà sostenuto attraverso incentivi statali/europei, diventerà in grado di sostenersi tramite il proprio mercato.

 

FARE VERDE Città Metropolitana Roma Capitale

Documento redatto dal Dott. Ing. Daniele MIONI –Responsabile Energia

Il Commissario

Cav.Dott. Paolo GIARDINI