Energia pulita dall’idrogeno come carburante e combustibile

Nel panorama mondiale delle risorse alternative emergono, negli ultimi anni, le enormi potenzialità dell'idrogeno come carburante e combustibile, anche in ambito domestico. I maggiori ostacoli ancora da superare riguardano la produzione, lo stoccaggio e la distribuzione.
Silvia Scognamiglio
A cura di Silvia Scognamiglio
Pubblicato il 26/03/2021 Aggiornato il 26/03/2021
Energia pulita dall’idrogeno come carburante e combustibile

Da quando, decenni fa, è aumentata la consapevolezza sull’esauribilità dei combustibili fossili e sull’inquinamento che producono, la ricerca sulle energie alternative e rinnovabili ha compiuto grandi passi avanti.

Fotovoltaico, solare termico ed eolico sono entrati da tempo nel vocabolario collettivo; le possibili applicazioni sono note e c’è chi le sperimenta direttamente.

Esiste poi un’altra possibilità per il futuro: quella di ricavare energia dall’idrogeno, l’elemento più diffuso in natura, contenuto nelle molecole di moltissime sostanze. L’idrogeno, impiegato come combustibile o come carburante per i trasporti, ha un elevatissimo rendimento e la sua combustione non emette gas serra o altri sottoprodotti responsabili dell’inquinamento e del surriscaldamento atmosferico. Risponde a tutti i requisiti per andare incontro agli obiettivi del Green Deal che prevede – a livello europeo – la progressiva “decarbonizzazione”, cioè la riduzione delle emissioni inquinanti tra il 2030 e il 2050.

Sperimentazioni e applicazioni pratiche procedono, ma la strada dell’idrogeno è ancora lunga. Le difficoltà risiedono soprattutto nella messa a punto di impianti, nella semplificazione dei processi produttivi e nel contenimento dei costi: su questo si lavora per concepire un utilizzo dell’idrogeno su larga scala.

Misuratore segnala mix di idrogeno nella rete Snam utilizzato nella seconda sperimentazione Contursi Terme dicembre 2019

Misuratore che segnala il mix di idrogeno nella rete Snam (www.snam.it) utilizzato nella seconda sperimentazione di Contursi Terme nel dicembre 2019.

In numeri

L’idrogeno ha una resa energetica più elevata in rapporto ai combustibili tradizionali. Basti pensare che con 1 kg si ottiene la stessa quantità di energia ricavabile da 2,8 kg di benzina o da 2,1 kg di gas naturale. In genere si presenta allo stato gassoso. Per poterlo portare a quello liquido, va raffreddato a -253 °C. A questa temperatura l’idrogeno può essere trasportato più facilmente perché non si combina con altri elementi chimici e rimane puro, pronto per essere impiegato come combustibile.
Oggi l’idrogeno viene prodotto per 3/4 dalla molecola del gas naturale: se ne impiegano ogni anno 205 mld di metri cubi per ottenere 70 mln di mc di idrogeno destinati alla produzione di energia. Sempre per ricavare idrogeno si utilizzano invece, annualmente, 107 mln di tonnellate di carbone.

Che cos’è l’idrogeno

È l’elemento chimico più leggero e semplice esistente in natura, il primo della tavola periodica di Mendeleev: il suo atomo è costituito soltanto da un protone e da un elettrone. Si tratta anche della sostanza più diffusa nell’universo che è composto per tre quarti proprio da idrogeno; non si presenta però mai allo stato puro, ma sempre aggregato in molecole più complesse che lo contengono, per esempio quelle dell’acqua o del metano: per poterlo “liberare” sotto forma di gas o di liquido occorre una reazione chimica. L’idrogeno è incolore, inodore e non tossico; non genera emissioni nocive quando viene impiegato per produrre energia e ha un ottimo rendimento.

Come si ricava l’idrogeno, come si utilizza

Non una fonte, ma un vettore
L’idrogeno – come abbiamo visto – non si trova mai in natura allo stato puro, ma sempre “imprigionato” in altri elementi. Per poterlo utilizzare al fine di produrre energia elettrica o carburante, è quindi necessario un processo che consenta di estrarlo dalle sostanze che lo contengono, stoccandolo poi allo stato gassoso o liquido per poterlo portare dove serve. Per questo motivo l’idrogeno non è una fonte energetica primaria e diretta (come per esempio il gas naturale, il petrolio o l’energia solare), bensì un vettore energetico. Una volta riconosciute le sue qualità ecocompatibili, la sfida attuale si concentra proprio sullo sviluppo di processi produttivi economicamente sostenibili, meno energivori e a basso impatto ambientale.

Dall’acqua e da altre molecole
Oggi i processi per l’estrazione dell’idrogeno partono da diversi tipi di molecole. Da quella di gas naturale si ricava il cosiddetto “idrogeno grigio”; dal carbone si ricavano i prodotti denominati “idrogeno marrone e nero”. Tali procedure richiedono grandi quantità di energia e comportano emissioni di anidride carbonica, perché carbone e gas naturale sono composti anche da carbonio; l’idrogeno così ottenuto non può definirsi quindi pulito al 100%. L’alternativa al centro della ricerca è quella dell’elettrolisi, vale a dire l’estrazione dell’idrogeno “verde” dalla molecola dell’acqua (la cui formula, ricordiamo, è H2O), anche impiegando eventualmente quella marina desalinizzata; il prodotto di scarto sarà così costituito soltanto da vapore acqueo non inquinante. la reazione chimica richiede molta energia, ma può essere effettuata ricorrendo a fonti rinnovabili, quali il fotovoltaico e l’eolico.

Applicazioni domestiche dell’idrogeno

L’idrogeno può essere impiegato nella mobilità, per alimentare i veicoli, o per produrre elettricità d’uso quotidiano. Giappone e Stati Uniti sono stati i pionieri, ora anche in Europa si cominciano a vedere i primi risultati pratici

Esempio di produzione, trasporto e utilizzo di idrogeno verde (fonte Enea)

Esempio di produzione, trasporto e utilizzo di idrogeno verde (fonte Enea).

Una risorsa energetica per le abitazioni, al posto di gasolio o metano? La ricerca si orienta anche in questa direzione. Si può impiegare come combustibile l’idrogeno da solo o misto ad altre sostanze, come il gas naturale. L’obiettivo di un suo impiego domestico si è avvicinato, negli ultimi anni, grazie alla messa a punto di una particolare tecnologia, quella delle celle a combustibile. Si tratta di microcogeneratori (micro CHP) ad alta efficienza che utilizzano l’idrogeno per produrre calore ed elettricità per case singole, complessi residenziali o edifici commerciali. Tali dispositivi potrebbero in futuro sostituire le tradizionali caldaie a gas, con la possibilità di adattarsi agli impianti a metano senza richiedere particolari modifiche; i nuovi fabbricati potranno invece essere già progettati prevedendo l’installazione di microgeneratori a celle a combustibile ad alta efficienza.
Primi possibili vantaggi
L’introduzione dei micro-CHP nelle case e nelle piccole imprese produttrici offre l’opportunità di autoprodurre elettricità e calore e di diventare così parte attiva nel settore energetico. Ci sono diversi vantaggi pratici a favore di quest’opzione. In primo luogo l’efficienza energetica e le zero-emissioni di anidride carbonica, particolato, ossidi di azoto e ossidi di zolfo. Il risultato potrà rivelarsi maggiormente significativo nei grandi centri urbani, dove le alte concentrazioni di inquinanti nell’aria si ripetono con frequenza periodica, specie nei mesi invernali in cui il traffico è più intenso e sono in funzione gli impianti termici. In sinergia con altre fonti rinnovabili quali fotovoltaico, solare termico ed eolico, l’idrogeno può contribuire in modo determinante a sviluppare un mix energetico pulito per impieghi domestici.

Un manifesto tra 22 Paesi

Lo scorso dicembre l’Italia ha preso parte al lancio dell’IPCEI (Important Projects of Common European Interest) relativo all’idrogeno e al suo utilizzo come risorsa sostenibile. 22 Paesi membri dell’UE (cui si è aggiunta in seguito la Norvegia) hanno firmato il Manifesto per lo sviluppo delle Tecnologie e sistemi basati sull’idrogeno. L’Europa punta così a conquistare la leadership nello sviluppo delle tecnologie a idrogeno, creando anche nuove opportunità occupazionali. L’accordo è correlato alla decisione del Consiglio europeo sulla decarbonizzazione: l’obiettivo è la riduzione di almeno il 55% delle emissioni nei Paesi membri dell’UE entro il 2030.

sostenibilita

Dalla ricerca alla realtà: esempi concreti di tecnologie basate sull’idrogeno

In Europa e in Italia si moltiplicano i progetti che vedono protagoniste le tecnologie basate sull’idrogeno. Programmi sperimentali hanno preso il via o verranno perfezionati nel prossimo futuro in differenti settori: trasporto pubblico e privato, industrie ed imprese produttrici, complessi residenziali piccoli e grandi.

Nei trasporti (treno)
Candidato a usufruire, presto, dell’energia pulita dell’idrogeno ottenuto da fonti rinnovabili è anche il trasporto pubblico su rotaia. In Italia, la prima linea ferroviaria a sperimentare questa nuova opportunità sarà quella che – nel Centro – collega Sansepolcro in Toscana a Sulmona in Abruzzo; servirà anche per altre città dell’Appennino quali Perugia, Terni, L’Aquila e Rieti. L’incentivo alla mobilità sostenibile costituisce un’occasione di rilancio per il territorio e per i collegamenti tra il versante tirrenico e quello adriatico. Altri progetti di treni a idrogeno coinvolgeranno presto la Val Camonica, in Lombardia.

Nell’industria
L’impiego di energia dall’idrogeno è stato sperimentato in due step nel 2019 nel pastificio Orogiallo (www.orogiallopastificio.com) di Contursi Terme (Sa). L’idrogeno è stato fornito, tramite la rete, in percentuale fino al 10%, in miscela con il gas naturale.
Il gestore è il gruppo Snam, una delle principali società per il trasporto energetico (www.snam.com): la miscela contenente idrogeno ha alimentato, in un test pilota, gli impianti per la lavorazione della pasta. Con Snam ed Edison, verrà presto sperimentata la produzione energetica da idrogeno verde anche nella storica acciaieria Tenaris di Dalmine nell’ambito del programma “Dalmine Zero Emissions”.

In condominio
Esempio virtuoso di applicazione della tecnologia a celle a combustibile che funzionano con l’idrogeno è quello che sarà realizzato a Vargarda, in Svezia, in un complesso residenziale di sei condomini (176 appartamenti). Si tratta di un sistema di accumulo stagionale (denominato RE8760)in cui l’idrogeno viene prodotto in autonomia, a partire dall’acqua tramite elettrolisi, impiegando l’energia pulita dei pannelli fotovoltaici installati sui tetti. Ogni abitazione è indipendente dalla rete elettrica e del gas: i pannelli solari forniscono l’energia tutto l’anno, o direttamente o sotto forma di idrogeno.

Si ringraziano per la collaborazione Viviana Cigolotti, viviana.cigolotti@enea.it, Massimiliano Della Pietra, massimiliano.dellapietra@enea.it, Enea (www.enea.it)

 

 

Tratto da Cose di Casa cartaceo di febbraio 2021

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