Aggiornato al 26/01/2023

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Voltaire

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L’idrogeno non è (e non sarà mai) una fonte energetica

di Federico Torrielli

 

L'idrogeno è una delle alternative più popolari al carburante fossile nei trasporti. Molte aziende e nazioni hanno investito milioni di euro per migliorarne la relativa tecnologia. Nel 2021, il numero di auto a idrogeno acquistate nel Regno Unito è stato 12. Sembra come un'attività fiorente? Non esattamente. Infatti, un rapporto del Comitato britannico per la scienza e la tecnologia che è apparso qualche mese fa ha avvertito che "non crediamo che (l'idrogeno) sarà la panacea per i nostri problemi che a volte può essere inferita dalle speranze riposte in esso". Aia... Allora qual è il problema dell'idrogeno?

Partiamo dalle basi

L'idrogeno è il primo elemento della tavola periodica. Se lo si mescola con ossigeno e si aggiunge fuoco alla miscela si ottiene acqua. Semplicissimo, no? Questa reazione rilascia energia, quindi se si fa in condizioni controllate, si può alimentare un motore o una turbina con esso. L'unico “rifiuto” che si ottiene è pura acqua, nessun biossido di carbonio, nessun ossido di azoto, nessun particolato, nessun rifiuto radioattivo, e si spera nessuna morte accidentale.

Ma non rinunciamo così facilmente a trovare qualcosa da criticare. Vogliamo utilizzare il metodo scientifico!

Ad esempio, l'idrogeno è un gas che, a pressione e temperatura atmosferiche normali, occupa molto volume. Sappiamo tutti che non è pratico trascinare uno zeppelin dietro l’auto. Ecco perché per immagazzinare e trasportare l'idrogeno, lo si comprime utilizzando tantissima pressione. Tipicamente, stiamo parlando di 700 bar, o circa 700 volte la pressione atmosferica. A quella pressione, l'energia che si ottiene da un litro di idrogeno è un sesto di quella che si ottiene da un litro di benzina. Ciò significa che se si alimenta un'auto con l’idrogeno, si ha bisogno di più litri di idrogeno rispetto ai litri di benzina per coprire la stessa distanza. Qualcuno di arguto che sta leggendo penserà: “ma i litri sono una misura di volume!”. La quantità di energia che si ottiene dall'idrogeno per massa è circa il doppio di quella che si ottiene dalla benzina. Tuttavia, poiché l'idrogeno deve essere tenuto sotto pressione, i serbatoi di idrogeno tendono ad essere più pesanti rispetto ai serbatoi di benzina. Alla fine, le auto alimentate ad idrogeno finiscono per essere leggermente più pesanti di quelle alimentate a benzina, ma certamente non crea un enorme problema.

Ok, ma come si ottiene l'energia dall'idrogeno? La tecnologia per far ciò non è nuova, ed esiste da oltre 200 anni. La prima cella combustibile ad idrogeno è stata sviluppata da William Grove nel 1839, ma solo negli anni '60 due ingegneri della General Electric hanno proposto un modo intelligente per metterla in pratica. Hanno sviluppato ciò che ora è chiamata una Membrana di Scambio di Protoni. Questa mantiene l'idrogeno e l'ossigeno separati e permette reazioni chimiche solo a livello della membrana. In questo modo è molto più facile controllare la reazione, rendendo anche il sistema più sicuro. Le celle combustibili ad idrogeno sono state poi ulteriormente sviluppate dalla NASA. Uno dei primi utilizzi è stato sulla navicella spaziale Gemini, lanciata a metà degli anni '60. Sono state in seguito utilizzate anche sulla navicella Apollo che ha trasportato gli astronauti sulla Luna.

La Stazione Spaziale Internazionale utilizza celle combustibili ad idrogeno per generare elettricità e anche per produrre acqua potabile per gli astronauti a bordo. Quindi, le celle combustibili ad idrogeno esistono da molto tempo, ma non sono mai state particolarmente popolari. Una delle ragioni è sicuramente che semplicemente non ne abbiamo avuto bisogno, perché i carburanti fossili sono decisamente più convenienti. Purtroppo, hanno effetti collaterali, ed è per questo che aziende come Hyundai e Toyota vendono auto alimentate ad idrogeno da circa un decennio. BMW, Ford e altri giganti dell'automobile hanno piani per le auto ad idrogeno e alcuni governi stanno valutando l'idrogeno per alimentare i loro sistemi di trasporto, ad esempio la Scozia e la Germania. Il Regno Unito con le sue misere 12 vendite nel 2021, ammetto, è un esempio particolarmente triste. Da un lato, si tratta solo di automobili per civili. Hanno però anche messo in circolazione circa 50 autobus alimentati ad idrogeno. E a livello globale il mercato non sembra così disperato. In totale, sono state vendute circa 16mila auto alimentate ad idrogeno nel 2021, di cui circa 3.500 negli Stati Uniti. Il numero totale di auto vendute nuove nel 2021 è stato di circa 67 milioni, quindi al momento parliamo di una su quattromila. È un mercato piccolo, ma almeno esiste. Alcuni piani sono estremamente ambiziosi. Ad esempio, a maggio 2022, l'Unione Europea ha lanciato una strategia chiamata REPowerEU, con l'obiettivo di sostituire fino a 50 miliardi di metri cubi all'anno di gas russo importato con l'idrogeno. Ciò significherebbe sostituire quasi il 10% del consumo totale di gas dell'UE con energia ad idrogeno. Non è solo Europa che si sta attivando: molti altri paesi stanno investendo in impianti di produzione di idrogeno, tra cui Giappone, Canada, Egitto, Cina e Stati Uniti. Ad esempio, lo scorso marzo, la società Green Hydrogen International ha presentato piani per creare un impianto in Texas che utilizzerà 60GW di elettricità da solare e vento per produrre 2,5 miliardi di chilogrammi di idrogeno all'anno. Sarà chiamata la Hydrogen City. Non sono solo gli stati a voler investire in questa “nuova” tecnologia. Microsoft, ad esempio, vuole utilizzare celle combustibili ad idrogeno come generatori di backup per i loro data center. Come vedete, il mercato dell’idrogeno sta esplodendo (non letteralmente!).

Il primo "ma" che potrebbe venire in mente è:

Ma da dove viene l'idrogeno?

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Infatti, tre quarti di tutta la materia nell'universo è idrogeno, ma come avrete notato non possiamo esattamente acquistarlo al supermercato. Allora da dove lo si ottiene? I depositi geologici di idrogeno puro che si verificano naturalmente sulla Terra sono rarissimi. La maggior parte dell'idrogeno che abbiamo è legato, all’acqua oppure al metano. E qui parte il problema.

Per ottenere l’idrogeno, dobbiamo rompere dei legami chimici: ciò richiede una grande quantità di energia. L'idrogeno non è quindi una fonte di energia, ma un sistema di stoccaggio. Si utilizza energia per convertirlo nella sua “forma pura”, trasportarlo e poi rilasciare questa energia altrove. La sostenibilità ambientale dipende fortemente da dove proviene l'idrogeno. Per tenere traccia di questo, gli scienziati utilizzano una scala di colori. In questa, l'idrogeno raro e naturalmente presente è bianco. L'idrogeno ottenuto dall'acqua utilizzando carbone o lignite ha i colori nero o marrone, rispettivamente. La sua produzione emette anidride carbonica e metano, entrambi gas serra. L'idrogeno grigio è derivato dal metano e dall'acqua; anche questo produce anidride carbonica e di solito una parte del metano viene emessa comunque. Al momento, quasi tutto l'idrogeno è prodotto in uno di questi modi utilizzando combustibili fossili. Secondo il World Energy Council, al 2019 oltre il 95% dell'idrogeno mondiale è nero, marrone o grigio. Ciò rilascia circa 830 milioni di tonnellate di anidride carbonica all'anno e rappresenta il 2% delle emissioni globali totali e circa la stessa quantità di traffico aereo. Ma ci sono altri colori nell'arcobaleno dell'idrogeno. Per esempio c'è il blu. Come l'idrogeno grigio, l'idrogeno blu è ottenuto dal metano, ma l'anidride carbonica viene immagazzinata sottoterra e non sfugge in atmosfera. Questo metodo attualmente viene utilizzato solo per l'1% della produzione di idrogeno, ma qualcuno dice che potrebbe essere il futuro. L'associazione industriale Hydrogen Council ha promosso l'idrogeno blu come iniziativa sostenibile per il clima.

Dato che non è del tutto irrilevante, permettetemi di menzionare che questo consiglio è stato creato dall'industria del petrolio e del gas. Molti dei suoi membri hanno un interesse finanziario nella transizione dal gas naturale all'idrogeno prodotto da gas naturale stesso. Quindi magari pensiamoci due volte prima di dare come dato di fatto che questo sia un vero metodo “green”.

Nel 2021 due ricercatori americani hanno calcolato la quantità di gas serra rilasciati dalle tecnologie di idrogeno grigio e blu[1]. Hanno preso in considerazione non solo l'anidride carbonica, ma anche il metano, che è un gas serra molto più potente. Per rendere tutto più chiaro, l'effetto serra del metano viene solitamente convertito in un equivalente di anidride carbonica, ovvero, si calcola la quantità di anidride carbonica che avrebbe lo stesso effetto sull’atmosfera. Sono arrivati alla conclusione che l'idrogeno grigio ha un equivalente di circa 550 grammi (di anidride carbonica per chilowattora) e il blu leggermente meno, 486 grammi. È circa la stessa quantità di emissioni che si ottiene utilizzando il gas naturale direttamente per generare elettricità. Parte del motivo per cui l'idrogeno blu è così inefficiente è che non tutta l'anidride carbonica emessa dalla produzione di idrogeno viene catturata e stoccata. Un'altra ragione è che il processo di immagazzinamento dell'anidride carbonica richiede altra energia e comporta emissioni. Gli autori stimano che, nelle condizioni più favorevoli, potrebbe essere possibile ridurre queste emissioni a circa 200 grammi di anidride carbonica per chilowattora utilizzando fonti di energia rinnovabili.

Ora abbiamo chiaro che l'idrogeno blu non aiuta molto alla protezione del nostro pianeta terra.

Dopo il blu c'è l'idrogeno verde, che viene prodotto dall'acqua utilizzando energia rinnovabile. Questo ci piacerebbe, ma come avrete ben capito il trucco sta per arrivare. Secondo uno studio fatto da ricercatori australiani[2], le emissioni di gas serra dell'idrogeno verde prodotto con energia solare sono idealmente circa un quarto di quelle dell'idrogeno grigio. Tuttavia, in condizioni realistiche, hanno riscontrato che le emissioni sono comparabili, soprattutto a causa delle fluttuazioni nella produzione di energia solare (ciclo notte e giorno). Non ci sono dati né alcuno studio per la produzione di idrogeno con l'energia eolica, ma ci si aspetta che questo metodo soffra ancora di più dalle fluttuazioni perché il vento è ancora meno affidabile rispetto alla luce solare. E poiché questi metodi sono inefficienti, sono anche costosi. Infatti, produrre idrogeno con il sole e il vento è praticamente il modo più costoso per farlo[3]. In futuro questi costi diminuiranno un po' con il miglioramento della tecnologia utilizzata, ma vedendo che il più grande problema è la variazione di input energetico, dubito che diventerà economicamente competitivo rispetto all'idrogeno "sporco". Questo problema può essere risolto utilizzando l'energia nucleare per generare idrogeno, a cui sono stati assegnati i colori rosa e viola. Alcuni progetti sono tutt’ora in corso, ma siamo ancora all'inizio e l'energia nucleare non è, purtroppo, popolare.

Altri problemi e… conclusioni

Abbiamo visto che la produzione di idrogeno non è la migliore amica del clima, e rimane costosissima. Ma attenzione, fino ad ora abbiamo considerato solo il costo di produzione. Questo vuol dire che non include l'intera infrastruttura necessaria per alimentare una flotta di auto ad idrogeno. Ricordiamoci della necessità di dover mantenere ogni impianto ad idrogeno a centinaia di bar e ad una temperatura ottimale.

Passiamo al prossimo problema: diamo per buono che un giorno ci svegliamo e vogliamo ottenere solo più idrogeno dall’acqua. Da dove otteniamo quest’acqua? Se lo vediamo da lontano, il mondo non ha particolare carenza d'acqua, anche se l'acqua dolce può scarseggiare in alcune regioni del pianeta. Secondo le stime dei ricercatori dell'Università del Delaware[4], i problemi di fornitura idrica probabilmente non rappresenteranno un ostacolo per l'economia dell'idrogeno. Hanno analizzato uno scenario in cui sostituiamo il 18% dei combustibili fossili con l'idrogeno e hanno scoperto che ciò richiederebbe circa il 2% della quantità di acqua dolce attualmente utilizzata per l'irrigazione. Inoltre, anche i combustibili fossili richiedono acqua dolce per il raffreddamento, l'estrazione e la raffinazione, e attualmente è più di quanto previsto per l'idrogeno. Ciò corrisponde al 2% in media a livello globale, ma in alcune regioni la percentuale può essere più elevata. Ad esempio, le stime per l'Australia indicano che sarebbe necessario utilizzare circa il 4% della quantità d'acqua utilizzata per l'irrigazione. Sembra una quantità gestibile, ma è qualcosa da tenere in considerazione se si vuole che il tutto funzioni.

Un altro problema dell'acqua è che può congelare. Questo è anche il motivo per cui le celle a combustibile ad idrogeno preferiscono stare al caldo. Se la temperatura scende di pochi gradi sotto lo zero, l'acqua che le celle a combustibile producono all'avvio si congela immediatamente, il che danneggia rapidamente le membrane e i tubi. È noto come il problema del "Cold Start”. E no, non possiamo semplicemente versare del liquido antigelo e risolvere il problema: ricordiamo che l'acqua è creata direttamente nella cella a combustibile. Quindi o viviamo in Africa oppure dobbiamo tenere la macchina sempre calda all’avvio. La soluzione che i produttori stanno attualmente perseguendo è quella dei sistemi di preriscaldamento.

Ma il più grande problema per una futura economia dell'idrogeno potrebbe essere la produzione delle membrane. Non è perché sia così difficile, ma perché sono fatte di platino e iridio. Il platino è un metallo nobile costoso che viene anche utilizzato per la gioielleria. L'iridio è anch’esso un metallo nobile. È così raro che la maggior parte delle persone non ne ha mai sentito parlare. Entrambi  sono difficili da sostituire con altro nelle celle a combustibile ad idrogeno. Ciò rappresenta un problema perché significa che l'intera economia dell'idrogeno dipende dalla disponibilità di questi due metalli. Ce n'è solo una quantità limitata nel mondo e si trovano solo in formazioni geologiche molto specifiche. Quasi tutto l'approvvigionamento di platino e iridio proviene solo da tre paesi: Sudafrica, Russia e Zimbabwe. Se riflettiamo, per usare un francesismo, siamo “fottuti” in partenza. La Cina, che ha investito pesantemente nella tecnologia dell'idrogeno, sta già sentendo le conseguenze. Secondo il gruppo di consulenza aziendale Wood Mackenzie, la domanda crescente per il platino potrebbe essere gestibile nel prossimo futuro, ma sembra che entro il 2030 la domanda per l'iridio sarà diverse volte superiore all'offerta. Non so molto di economia, ma non penso che questo possa essere un buon segnale.

Un ultimo problema che vale la pena menzionare è che l'idrogeno è difficile da gestire. L'idrogeno è, come ben sapete, l’elemento più piccolo e leggero. Se lo si comprime in un serbatoio, penetrerà insidiosamente nelle pareti del serbatoio. Ciò distrugge la struttura chimica del materiale e lo rende fragile. Si chiama "indebolimento per idrogeno". Per questo motivo, i serbatoi per l'idrogeno devono essere spessi e rivestiti in modo speciale, il che li rende sia pesanti che costosi. Come il problema del “Cold Start”, questo è un problema chimico e non sarà mai risolto.

 

[1]    Howarth, Robert W. and Mark Z. Jacobson. “How green is blue hydrogen?” Energy Science & Engineering 9 (2021): 1676 - 1687.

[2]    Palmer, Graham, Ashley Nicole Roberts, Andrew Hoadley, Roger Dargaville and Damon R. Honnery. “Life-cycle greenhouse gas emissions and net energy assessment of large-scale hydrogen production via electrolysis and solar PV.” Energy & Environmental Science (2021): n. pag.

[3]    Ali Keçebaş, Muhammet Kayfeci, Mutlucan Bayat, Chapter 9 - Electrochemical hydrogen generation, Solar Hydrogen Production, Academic Press,2019,Pages 299-317, ISBN 9780128148532, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814853-2.00009-6.

[4]    Beswick, Rebecca R., Alexandra Oliveira and Yushan Yan. “Does the Green Hydrogen Economy Have a Water Problem?” ACS Energy Letters (2021): n. pag.

 

Inserito il:24/01/2023 16:17:55
Ultimo aggiornamento:24/01/2023 16:29:35
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