Come si ottiene energia dall'idrogeno?

L’idrogeno è presente ovunque in natura, ma è sempre legato ad altri elementi chimici. Quando si parla di idrogeno per l’energia ci si si riferisce all’idrogeno molecolare (H2) che è praticamente assente sulla Terra e viene prodotto con processi che consumano energia per rompere i legami chimici con gli altri elementi. Una volta prodotto, l’energia contenuta nella molecola di idrogeno può essere convertita in elettricità (con dispositivi denominati celle a combustibile) o in calore (con processi di combustione) a seconda dell’uso finale. Proprio per il fatto che non si trova liberamente in natura, l’idrogeno molecolare è un vettore energetico in grado di immagazzinare energia da usare in un secondo momento, e non una fonte di energia.

Come si produce l’idrogeno?

Sulla Terra l’idrogeno è per la maggior parte presente in composti chimici, legato cioè ad altri atomi. Esistono diversi processi chimici in grado di separare gli atomi di idrogeno da elementi più complessi per la produzione di idrogeno molecolare. L’idrogeno è contenuto, per esempio, nei combustibili fossili e nell’acqua. La produzione di idrogeno utilizzando i combustibili fossili quali petrolio, carbone o gas naturale implica però la produzione di anidride carbonica (CO2), come principale sottoprodotto del processo. In alternativa, l’idrogeno può essere prodotto con un processo chiamato elettrolisi dell’acqua: utilizzando energia elettrica si possono separare gli atomi di idrogeno da quelli di ossigeno, producendo H2 e ottenendo ossigeno come unico elemento di scarto.

Quali sono i diversi tipi di idrogeno?

L’idrogeno viene classificato in base al processo chimico di produzione e a ognuno di questi è associato un colore. L’idrogeno “marrone” viene ricavato attraverso la gasificazione del carbone ed è il più inquinante a livello atmosferico e ambientale poiché produce 25kg di CO2 per kg di idrogeno. L’idrogeno ricavato da gas naturale attraverso il processo di “steam methane reforming” è detto “grigio”, e ha un impatto ambientale di 11kg CO2/kg H2. Se a quest’ultimo viene associato un processo di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica, evitandone la dispersione nell’atmosfera, l’idrogeno prodotto viene classificato come “blu”. A causa dei limiti tecnologici della tecnologia o di perdite nei sistemi di stoccaggio di anidride carbonica, si stima che vengono comunque emessi circa 3-6 kg CO2/kg H2. L’idrogeno può essere prodotto anche utilizzando energia elettrica tramite il processo di elettrolisi che separa gli atomi di idrogeno e di ossigeno contenuti nella molecola d’acqua. Se l’energia elettrica utilizzata viene prodotta da una centrale nucleare, l’idrogeno viene classificato come “rosa”; non viene emessa anidride carbonica in atmosfera, ma vengono prodotti rifiuti radioattivi. Se invece l’energia elettrica utilizzata viene prodotta da fonti rinnovabili, l'idrogeno viene detto “verde” o “rinnovabile” e non produce emissioni di anidride carbonica.

Qual è la maturità del mercato dell’idrogeno?

L’idrogeno viene utilizzato già da diversi anni soprattutto nell’industria, nella raffinazione del petrolio e nella produzione di fertilizzanti e ammoniaca. Viene utilizzato anche nell’industria alimentare per la produzione dei cosiddetti ‘grassi idrogenati’, presenti in diversi alimenti. La grande parte della domanda di idrogeno ad oggi viene prodotta nello stesso luogo dove viene consumata (pensiamo alle raffinerie, ad esempio, che lo producono per il proprio autoconsumo), quindi non vi è un vero e proprio mercato perché l’idrogeno non viene scambiato tra operatori diversi.

Quanto idrogeno si consuma in Italia?

Nel 2021 nel mondo si sono consumati circa 94 Mt (milioni di tonnellate) di idrogeno, in grandissima parte “grigio”, cioè prodotto a partire da gas naturale (Global Hydrogen Review 2022, IEA). In Italia la domanda è stimata a circa 0,5 MT ed è utilizzato prevalentemente nell’industria della raffinazione dell' ammoniaca e della chimica (Hydrogen Monitor EU -2018 demand.

L’idrogeno è sempre pulito?

Solo l’idrogeno verde prodotto da fonti rinnovabili può essere considerato completamente pulito e sostenibile, perché non prevede alcuna emissione di anidride carbonica.

L’uso dell’idrogeno è sicuro?

L’idrogeno viene già da decenni utilizzato in tante applicazioni industriali. A differenza di altre sostanze come benzina o metano, l’idrogeno è molto leggero, più leggero dell’aria, per cui in caso di perdite o rilasci accidentali si diffonde rapidamente verso l’alto, disperdendosi in atmosfera. Tuttavia, ad alte concentrazioni, essendo un gas altamente infiammabile, può diventare potenzialmente pericoloso se innescato. Esattamente come per altre sostanze utilizzate nell’industria, esistono standard di sicurezza già in vigore da anni per produzione, immagazzinamento e utilizzo che permettono l’utilizzo dell’idrogeno in sicurezza.

Con l’idrogeno possiamo produrre energia elettrica?

È possibile produrre energia elettrica dall’idrogeno in dispositivi chiamati celle a combustibile o in delle turbine. L’efficienza di questi processi varia tra il 35% e il 60%. Considerando anche l’efficienza di produzione dell’idrogeno per elettrolisi, l’utilizzo di idrogeno verde per la produzione di energia elettrica non è una scelta efficiente. È infatti molto meglio usare l’energia elettrica rinnovabile prodotta dal sole e dal vento nello stesso momento in cui viene prodotta; quando risulta necessario immagazzinarla per utilizzarla in un secondo momento, l’utilizzo delle batterie è preferibile avendo un’efficienza di circa l’85%.

L’idrogeno è facile da trasportare?

Esistono diversi sistemi di trasporto dell'idrogeno molecolare. Può essere trasportato con carri bombolai quando stoccato in bombole, oppure tramite condutture dedicate (potenzialmente anche in forma liquida, ma al momento i costi sono molto elevati). In alternativa al trasporto molecolare dell’idrogeno, un’opzione più efficiente è rappresentata dalla produzione distribuita di idrogeno per elettrolisi direttamente vicino a dove serve. Infatti, è preferibile trasportare l’energia elettrica prodotta da fonte rinnovabile tramite la rete elettrica e alimentare così un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno in sito dove necessario.

L’idrogeno verde può essere utilizzato su larga scala?

Sì, se con i miglioramenti tecnologici e la crescita del mercato verranno abbattuti i costi di produzione.

Quali sono le migliori applicazioni per l’idrogeno?

L’elettrificazione è la scelta migliore per decarbonizzare la gran parte dei settori in cui utilizziamo energia nella nostra vita quotidiana. L’utilizzo migliore dell’idrogeno è nei settori industriali “hard-to-abate”, cioè quelli per cui l’elettrificazione è tecnicamente difficile e poco competitiva: questi tipicamente hanno bisogno di un grosso quantitativo di energia ed è complesso abbattere le emissioni di gas serra. Rientrano in questa definizione alcuni settori come l’industria legata alla produzione di acciaio, ceramica o cemento, l’industria chimica, le fonderie e il trasporto navale e aereo a lungo raggio.

L’idrogeno può essere utilizzato per il riscaldamento?

Esistono tecnologie in grado di utilizzare l’idrogeno per il riscaldamento degli edifici; tuttavia, le pompe di calore e i sistemi a elettrificazione diretta sono 5 volte più efficienti in termini di consumo di energia verde.

Che differenza c’è tra un veicolo a idrogeno e uno elettrico?

In entrambe le tecnologie il veicolo viene mosso da un motore elettrico. In un veicolo elettrico l’energia necessaria per la trazione del motore viene fornita dalla batteria, caricata in precedenza dalla rete elettrica. In un veicolo ad idrogeno, invece, l’idrogeno contenuto nel suo serbatoio viene utilizzato, in una cella a combustile, per produrre elettricità che alimenta il motore. Nel primo caso, quindi, l’efficienza di sistema corrisponde all’efficienza della batteria, mentre nel secondo è necessario considerare sia l’efficienza dell’elettrolizzatore per produrre idrogeno che quella della cella a combustibile per la sua riconversione in elettricità. L’efficienza di una auto elettrica già oggi è più di 2,5 volte migliore rispetto all’auto a idrogeno.

L’idrogeno è il combustibile ideale per le automobili?

No. Sono preferibili le auto elettriche non solo per il costo inferiore di acquisto e di manutenzione, non soltanto per l’assenza di una rete di stazioni di rifornimento (mentre la rete elettrica esiste già), ma anche perché i veicoli elettrici sono 2,5 più efficienti di quelli a idrogeno come numero di km percorsi con 1 kWh di energia verde.

L’uso dell’idrogeno (verde) ha un costo competitivo?

Al momento né l'idrogeno rinnovabile né quello blu sono competitivi in termini di costi rispetto all'idrogeno grigio. Secondo le previsioni di Bloomberg NEF, però, l’idrogeno verde diventerà competitivo rispetto a quello grigio e blu già nel 2030. Questo sarà possibile grazie allo scale up dell'industria degli elettrolizzatori, alla sua progressiva automazione e all’innovazione che permetterà di ottenere elettrolizzatori sempre più efficienti.

Che cosa sono gli elettrolizzatori e le celle a combustibile?

Un elettrolizzatore è un dispositivo elettrochimico, composto da membrane ed elettroliti, che quando viene alimentato da energia elettrica è in grado di spezzare i legami chimici presenti in una molecola d’acqua, separando idrogeno e ossigeno, che possono essere successivamente raccolti e immagazzinati. La cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico simile ad un elettrolizzatore, composto da membrane ed elettroliti a volte identici a quelli di un elettrolizzatore, in grado di fare il processo opposto: utilizzare idrogeno per produrre energia elettrica. Le molecole del combustibile (H2) e del comburente (generalmente ossigeno O2) vengono spezzate in ioni positivi ed elettroni; questi ultimi, fatti passare da un circuito esterno, forniscono corrente elettrica. Gli ioni H+ e O- si uniscono poi, formando come unico elemento di scarto acqua (H2O).

Che ruolo ha la digitalizzazione nello sviluppo dell’idrogeno?

Le reti digitali avranno un ruolo centrale nel gestire, coordinare, supervisionare tutta la produzione, la distribuzione e la consegna di idrogeno per i vari utilizzi. L’uso di software innovativi permette di osservare eventuali dati anomali e, quindi, di individuare i potenziali rischi. Si può così intervenire in anticipo, prima che si verifichi un danno, con la manutenzione predittiva. L’individuazione real-time di inefficienze consente un miglioramento delle performance e dell’efficienza degli impianti.