Diamo i numeri sull’idrogeno

di Mario Palazzetti e Maurizio Pallante.

     L’idrogeno è l’elemento più abbondante della biosfera, dove però non si trova allo stato puro, ma soltanto unito all’ossigeno nelle molecole dell’acqua: H₂O, o al carbonio negli idro-carburi, sostanze composte da idrogeno e carbonio: metano CH₄; petrolio (85% circa carbonio, 13% circa idrogeno e per il restante 2% circa da altri elementi).
     L’idrogeno che ci interessa è quello unito all’ossigeno nella molecola dell’acqua. Per liberarlo dai legami con l’ossigeno si può utilizzare il processo dell’elettrolisi che, se viene effettuata con energia elettrica prodotta da centrali termoelettriche, comporta l’emissione di CO₂, oppure il processo dello steam reforming, impiegando combustibili fossili che bruciano utilizzando l’ossigeno dell’acqua con emissione di CO₂.
     L’idrogeno può essere utilizzato come reagente chimico in alcuni processi industriali, o come vettore energetico.

     Per scindere i legami dell’idrogeno dall’ossigeno nella molecola dell’acqua si può utilizzare l’elettrolisi, un processo che consente di trasformare l’energia elettrica nell’energia chimica di questo elemento. La reazione avviene nelle celle elettrolitiche (elettrolizzatori), che sono dei contenitori con due elettrodi, uno positivo chiamato anodo e uno negativo chiamato catodo, in cui viene versata una soluzione acquosa. Al passaggio della corrente gli ioni^[1] presenti nella soluzione migrano verso i due elettrodi, dove scaricano la loro carica elettrica e avvengono altre reazioni che scompongono la molecola dell’acqua, liberando idrogeno al catodo e ossigeno all’anodo.
     Questa trasformazione avviene con un rendimento di circa il 60% e l’idrogeno che si ottiene con questo procedimento è puro.
     Per valutare il rendimento complessivo del processo e il suo impatto ambientale, occorre prendere in considerazione anche il modo con cui si produce l’energia elettrica.
     Se l’energia elettrica si produce con fonti rinnovabili – fotovoltaico, eolico, idroelettrico – l’impatto ambientale è nullo, per cui l’idrogeno che si ottiene viene definito idrogeno verde.
     Se l’energia elettrica si produce utilizzando metano in una centrale termoelettrica a ciclo combinato, il processo non è pulito, perché la combustione del metano genera anidride carbonica, e il rendimento è molto inferiore. Poiché dai morsetti degli alternatori di una centrale termoelettrica a ciclo combinato escono 56 unità di energia elettrica ogni 100 unità di energia chimica del metano, il rendimento complessivo scende a circa il 34 per cento (0,56*0,60).
     Se l’energia elettrica si produce in una centrale nucleare, poiché in queste centrali il costo del combustibile è relativamente modesto rispetto ai costi di investimento, il problema non è massimizzare i rendimenti, ma far lavorare gli impianti 24 ore su 24 per accelerarne l’ammortamento. Poiché la domanda di energia elettrica di notte è molto più bassa che di giorno, il surplus della produzione notturna può essere utilizzato per produrre idrogeno. L’idrogeno prodotto con questo processo viene definito idrogeno viola. Questa modalità è conveniente economicamente, ma non è né pulita né sostenibile, perché utilizza un combustibile fossile, l’uranio, che non è rinnovabile, e produce scorie radioattive, che rimarranno pericolose per diverse centinaia, o migliaia di anni.

_{[1] Gli ioni sono atomi che hanno assunto o perso elettroni, acquistando così una carica elettrica: positiva se ne hanno persi (cationi: che vanno verso il catodo), negativa se ne hanno acquistati (anioni: che vanno verso l’anodo)}

Steam reforming.

     Lo steam reforming è il processo con cui l’energia chimica del carbonio contenuto nel carbon fossile e negli idrocarburi viene trasformata nell’energia chimica dell’idrogeno. Questa reazione si ottiene ossidando il carbonio con l’ossigeno contenuto nella molecola dell’acqua. Iniettando vapore acqueo nel combustore, l’ossigeno dell’acqua si combina col carbonio formando anidride carbonica (CO₂) e liberando l’idrogeno. Il rendimento di questa trasformazione non supera l’80 per cento. L’idrogeno prodotto in questo modo viene definito idrogeno grigio, poiché non è puro e si forma con un processo che emette CO₂. Il 95 per cento dell’idrogeno prodotto oggi nel mondo è di questo tipo. Se l’anidride carbonica emessa dallo steam reforming viene “catturata” e stoccata, per lo più in vecchi giacimenti di idrocarburi esauriti, con un processo denominato CCS (dall’inglese Carbon Capture Storage), l’idrogeno che si ottiene viene definito idrogeno blu.

L’idrogeno come vettore energetico: le celle a combustibile, o fuel cell.

     Dall’idrogeno si può ricavare energia in due modi: o utilizzandolo come un combustibile, analogamente al metano, o per generare energia elettrica nelle celle a combustibile, fuel cell, dove l’energia chimica dell’idrogeno e dell’ossigeno viene trasformata in energia elettrica con un processo inverso all’elettrolisi dell’acqua. Mentre nell’elettrolisi dell’acqua il passaggio della corrente elettrica libera ossigeno e idrogeno sui due elettrodi, nelle celle a combustibile facendo affluire idrogeno e ossigeno ai due elettrodi si ottiene la produzione di una potenza elettrica e la formazione di acqua. Questo processo di trasformazione nelle attuali celle può avere un rendimento anche del 60% ed è particolarmente pulito: le emissioni sono costituite solamente da vapore acqueo.
     Il rendimento globale del processo di produzione di energia elettrica nelle celle a combustibile con idrogeno ottenuto dal reforming è circa  del 48% (0,80*0,60), quasi equivalente a quello di una moderna centrale a carbone e inferiore a quello di una centrale a ciclo combinato, che è del 56% e consente, inoltre, di utilizzare il calore residuo.
     Se l’idrogeno utilizzato nelle celle a combustibile viene prodotto per elettrolisi utilizzando l’energia elettrica prodotta in una centrale termoelettrica a ciclo combinato, il rendimento globale del processo scende al 20% (rendimento centrale a ciclo combinato: 56%, rendimento elettrolisi: 60%, rendimento fuel cell: 60%).

L’idrogeno come accumulatore dell’energia elettrica prodotta con fonti rinnovabili.

     Il limite principale delle fonti rinnovabili è l’aleatorietà della loro produzione energetica. Il rendimento del fotovoltaico dipende dalle variazioni della radiazione solare e di notte è nullo. Il rendimento dell’eolico dipende dall’intensità del vento, che non è costante. L’uso dell’idrogeno come vettore energetico ha la funzione di superare questi limiti. Quando l’energia elettrica prodotta dalla fonte rinnovabile è superiore alla domanda, il surplus si può utilizzare per effettuare l’elettrolisi dell’acqua e produrre idrogeno. Quando la domanda è superiore all’offerta, l’idrogeno può essere usato per produrre energia elettrica nelle fuel cell. In linea di principio il ragionamento non fa una grinza, ma questo processo presenta un problema e suscita una domanda.
     Il problema è: quanta energia si spreca nei due passaggi? Il rendimento dell’elettrolisi è del 60%. Il rendimento delle fuel cell è del 60%. Il rendimento complessivo delle due trasformazioni è del 36% (0,60*0,60). Utilizzando l’idrogeno come accumulatore si spreca il 64% dell’energia elettrica prodotta dalle fonti rinnovabili. La domanda che sorge spontaneamente è: non esistono procedure alternative che consentano di sprecare meno energia, sia quando si accumula, sia quando si utilizza l’energia accumulata?

L’accumulazione dell’energia elettrica con le batterie e con i pompaggi idroelettrici.

     Quando l’energia elettrica prodotta dalle fonti rinnovabili eccede la domanda si può accumulare chimicamente nelle batterie. Le più efficienti attualmente utilizzano ioni di litio e restituiscono dall’80 all’85% dell’energia che immagazzinano. Ben più del 36% restituito dalla duplice trasformazione dell’energia elettrica in idrogeno con l’elettrolisi (60%) e dell’idrogeno in energia elettrica con le fuel cell (60%). La produzione di queste batterie è cresciuta moltissimo negli ultimi dieci anni e si prevede che crescerà ancora. Comunque i giacimenti di litio sono abbondanti, anche se localizzati (in America del sud, Australia e Cina), e non ci sono problemi di approvvigionamento. Sembra inoltre imminente l’industrializzazione delle batterie agli ioni di sodio, che hanno la stessa efficienza, ma costi di produzione molto inferiori, perché il sodio si può estrarre dall’acqua del mare.
     Un altro sistema molto efficiente di accumulazione energetica è il pompaggio dell’acqua da un invaso idroelettrico a una quota inferiore a un invaso a una quota superiore, utilizzando turbine reversibili. Quando la domanda di energia elettrica è inferiore all’offerta e il prezzo del kilowattora è al minimo, tipicamente di notte, si utilizza l’energia a basso costo per pompare l’acqua dal bacino inferiore a quello superiore. Quando la domanda raggiunge il picco, l’acqua viene rilasciata dal bacino superiore e i kilowattora prodotti vengono immessi sul mercato a prezzi più alti. Il  rendimento medio di questo processo è tra il 70 e l’80%, cioè da 10 kilowattora spesi per il pompaggio si ricavano da 7 a 8  kilowattora nella fase di generazione. Sono pertanto molto più vantaggiosi rispetto all’accumulo effettuato con l’idrogeno. Questi impianti sono complementari alle batterie perché garantiscono l’accumulo stagionale dell’acqua con cui si produce l’energia idroelettrica. Permettono inoltre di modulare l’erogazione della potenza durante l’arco della giornata e sono in grado di immettere in rete grandi quantità di energia elettrica in tempi rapidi, per cui sono molto importanti per la gestione della rete elettrica. Già una ricerca del 2012  aveva individuato in Italia una potenzialità di accumulo idroelettrico annuale di 79 TWh (1 Terawattora corrisponde a un miliardo di chilowattora) contro i 2 TWh attuali. Se questa potenzialità venisse sfruttata appieno potrebbe soddisfare un quarto dei consumi energetici totali e sarebbe più che sufficiente a soddisfare le esigenze di bilanciamento di una rete alimentata al 100% da fonti rinnovabili in buona parte intermittenti.   

L’idrogeno è un vettore energetico scadente e problematico.

     L’idrogeno non è dunque una fonte energetica, ma un vettore energetico. Il più scadente e problematico, poiché trasporta all’unità di volume 3 volte meno energia del metano e le perdite in un gasdotto sarebbero 8 volte superiori al quelle del metano. Un metanodotto che abbia il 3% di perdite, se trasportasse idrogeno ne perderebbe il 24% e porterebbe poco più di un quarto dell’energia del metano. L’idrogeno è il combustibile più leggero a parità di energia e quindi ottimo per i razzi. Tuttavia, fa riflettere il fatto che anche in questa applicazione particolarmente favorevole si stia cercando di sostituirlo con il kerosene. Poiché l’energia dell’idrogeno all’unità di volume è bassissima, il suo trasporto in gasdotti o bombole è molto problematico. In alternativa può essere trasportato allo stato liquido, ma la trasformazione dallo stato gassoso allo stato liquido comporta un grande dispendio energetico perché richiede una temperatura di – 240 °C e una pressione di 13 bar.

L’idrogeno come vettore energetico rallenta il processo di transizione verso la neutralità carbonica.

     Se, sfruttando appieno le potenzialità dei pompaggi idroelettrici, utilizzando le batterie agli ioni di litio, e, probabilmente in un prossimo futuro, quelle agli ioni di sodio, si riesce a ricavare dalle fonti rinnovabili più energia utile, più rapidamente e a costi più contenuti di quella che si può ricavare utilizzando l’idrogeno come accumulatore di energia elettrica, è inevitabile dedurne che l’uso dell’idrogeno come vettore energetico rallenta il processo di transizione verso la neutralità carbonica. Pertanto è difficile capire le ragioni per cui alcuni sostenitori della necessità di ridurre al più presto le emissioni di CO₂ ne siano diventati i più accesi sostenitori, mentre non stupisce che lo siano le 200 aziende che operano lungo tutta la catena di produzione e distribuzione dell’idrogeno, riunite nell’associazione Hydrogen Europe, molto attiva presso il Parlamento europeo.

L’automobile a idrogeno come combustibile.

     L’idrogeno può essere impiegato nei motori automobilistici a combustione interna analogamente al metano. Oppure si può utilizzare per produrre energia elettrica nelle celle a combustibile e alimentare automobili con motore elettrico.
     L’uso dell’idrogeno come combustibile ha un rendimento modesto e le emissioni non sono solo di vapore acqueo, ma anche di ossidi di azoto (NO_X) a causa dell’alta temperatura e del modo in cui la combustione avviene nel motore.
     Il rendimento del motore termico, nelle condizioni ottimali di funzionamento raggiunge il 30%, ma in pratica, soprattutto nei circuiti urbani, scende a valori molto più bassi. Il processo per ottenere idrogeno elettrolitico con energia elettrica prodotta in centrali a ciclo combinato ha un rendimento di circa il 34% (0,56*0,60), per cui il rendimento globale di un motore termico alimentato a idrogeno non supera il 10% (0,34*0,30). Nel ciclo urbano il motore termico opera con rendimenti circa tre volte inferiori. Pertanto il rendimento effettivo non supera il 3 per cento. Dal punto di vista energetico le cose non vanno bene, tuttavia in termini di inquinamento diretto non ci sono emissioni di particolato, idrocarburi e monossido di carbonio (CO), mentre non si possono escludere, come si è detto, le emissioni di ossidi d’azoto (NO_X). In un bilancio ecologico globale occorre considerare anche le emissioni di CO₂, se l’elettrolisi viene effettuata utilizzando energia elettrica prodotta con fonti fossili.
     L’alimentazione di un’automobile a idrogeno gassoso presenta inoltre una difficoltà non irrilevante per il fatto che richiede serbatoi molto ingombranti  in grado di contenere il gas alla pressione di 250 / 700 bar in condizioni di sicurezza. Per superare questo problema è stata introdotta la tecnologia degli idruri, che consiste nel fare assorbire l’idrogeno da apposite leghe metalliche. Una soluzione piuttosto costosa, che comporta un aggravio di peso e di ingombro non trascurabile.

L’auto a idrogeno con celle a combustibile: meglio dell’auto a idrogeno con motore termico.

     L’idrogeno potrebbe essere utilizzato nelle auto elettriche per produrre energia elettrica nelle celle a combustibile abbinate a batterie al litio. In questo caso non si dovrebbe parlare di auto elettrica, ma di auto a idrogeno, perché il rifornimento sarebbe effettuato con questo gas. In questo caso l’idrogeno deve essere prodotto per elettrolisi, perché è l’unico modo di produrlo senza impurezze che non consentirebbero l’uso delle fuel cell, il rendimento del processo sarebbe del 32% (rendimento dell’elettrolisi: 0,60) * (rendimento delle celle a combustibile: 0,60) * (rendimento del motore elettrico: 0,90) e, se l’energia elettrica usata per l’elettrolisi fosse prodotta da fonti rinnovabili, non ci sarebbero emissioni di CO₂.
     Poiché l’alimentazione a idrogeno crea i problemi a cui si è accennato, la sfida tecnologica si trasferisce sulla possibilità di realizzare una stazione di reforming e di purificazione dell’idrogeno installabile su un autoveicolo, in modo da non perdere i vantaggi dell’alimentazione a idrocarburi (concentrazione di grandi quantità di energia in condizioni di sicurezza e in volumi e pesi ridotti), utilizzandoli però con maggiore efficienza energetica e senza generare inquinamento. In questo caso la catena energetica sarebbe la seguente: dagli idrocarburi mediante il reforming si ottiene idrogeno con emissione di anidride carbonica; l’idrogeno viene fatto reagire con l’ossigeno nelle celle a combustibile per produrre energia elettrica con emissione di vapore acqueo; l’energia elettrica alimenta il motore elettrico.
     In questo caso il rendimento della trasformazione dell’energia chimica di un combustibile liquido in energia elettrica sarebbe dato dal prodotto tra il rendimento del reforming (80%) e il rendimento delle celle a combustibile (60%), attestandosi al 48%. Dal momento che nel motore elettrico l’energia elettrica diventa energia meccanica con un rendimento del 90%, il rendimento della trasformazione del combustibile in energia meccanica sarebbe del 43% (0,48*0,90), ben superiore a quello degli attuali motori termici, che non superano il 30 per cento, ma nei circuiti urbani scendono a valori molto più bassi perché non possono essere utilizzati nelle loro condizioni di funzionamento ottimali. Sull’efficienza del sistema di trazione «combustibile liquido – reforming – idrogeno – celle a combustibile – motore elettrico» i problemi del traffico cittadino non inciderebbero. Pur utilizzando bene il combustibile, questa tecnologia comporta emissioni, seppure ridotte, di CO₂. Questa sfida fu tentata negli anni Novanta ma non ebbe successo.

L’auto elettrica: meglio dell’auto a idrogeno con celle a combustibile

Treni, autobus e camion a idrogeno. Un progetto.

     Il 29 dicembre 2020 FNM (proprietaria della società ferroviaria regionale Trenord), A2A e Snam hanno firmato un memorandum d’intesa finalizzato a studiare le modalità di fornitura e rifornimento di idrogeno prodotto con fonti rinnovabili (probabilmente energia idroelettrica, dato il contesto alpino, magari sacrificando le preziose possibilità di pompaggio idroelettrico) per alimentare i nuovi treni della linea Brescia-Iseo-Edolo. Il piano, denominato H2iseO, consentirà di dar vita in Valcamonica alla prima “Hydrogen Valley” italiana, dotandola, a partire dal 2023, di una flotta di treni a idrogeno e delle relative infrastrutture. A2A produrrà idrogeno verde con l’energia idroelettrica (con una perdita del 40%), Snam realizzerà le tubazioni a tenuta d’idrogeno per trasportarlo nelle stazioni di rifornimento dei treni, che lo utilizzeranno per produrre con le fuel cell (con una perdita del 40%) l’energia elettrica con cui Trenord alimenterà i suoi treni. Non si utilizzerebbe con più efficienza l’energia idroelettrica e non si ridurrebbero i costi impiantistici elettrificando la linea ferroviaria per alimentare direttamente i locomotori standard?
      Successivamente, entro il 2025, la soluzione idrogeno verrà estesa anche al trasporto pubblico locale, con la possibilità di utilizzarla anche nella logistica delle merci. Non si ridurrebbero di più le emissioni di CO₂ e i costi trasportando le merci sui treni e alimentando gli autobus con batterie a ioni di litio?

Autobus e camion a idrogeno? L’esito di una sperimentazione.

     Una delle più importanti azienda di autotrasporti al mondo, la Scania, dopo aver prodotto sia un camion con motore elettrico alimentato da batterie, sia un camion a fuel cell, ha optato per la prima soluzione sulla base di diverse motivazioni, tra cui la scarsa efficienza con cui l’idrogeno utilizza l’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, i maggiori costi di gestione richiesti dalla maggiore complessità del sistema, la necessità di una manutenzione continua, i problemi di sicurezza. In un comunicato pubblicato dall’azienda svedese a gennaio del 2021, si legge che: «Scania ha investito nelle tecnologie dell’idrogeno ed è attualmente l’unico produttore di veicoli pesanti con veicoli in attività con i clienti. Gli ingegneri hanno ottenuto informazioni preziose da questi primi test e gli sforzi continueranno. Tuttavia, in futuro l’uso dell’idrogeno per tali applicazioni sarà limitato poiché per alimentare un camion è necessaria una quantità di elettricità rinnovabile tre volte superiore a quella di un camion elettrico a batteria. Una grande quantità di energia viene persa nella produzione, distribuzione e riconversione a elettricità».
https://www.vaielettrico.it/ciao-idrogeno-scania-vira-sullelettrico-notizia-del-mese/
     Anche Elon Musk, il patron della Tesla, valuta in maniera totalmente negativa le fuel cell che, a partire da un intervento pubblico nel 2013, ha definito più volte «un’incredibile idiozia». E all’Automotive World News Congress di Detroit, nel 2015, ha affermato che «se bisogna per forza scegliere un meccanismo di accumulo energetico, quello a idrogeno è il più incredibilmente idiota da scegliere».

La ricarica delle batterie delle automobili elettriche.

     Attualmente la ricarica delle batterie delle automobili elettriche viene effettuata in apposite colonnine ai bordi dei marciapiedi che fiancheggiano i posteggi in alcune zone delle città. La ricarica rapida delle batterie non solo ne compromette la vita, ma comporta una significativa perdita di energia. In considerazione di questi problemi, in Cina l’ultimo modello della NIO, oltre ad avere batterie proprie, è stato predisposto anche per lo scambio delle batterie scariche con batterie cariche nelle stazioni di servizio. Le batterie appartengono alla società che le ricarica. Se vengono ricaricate in fabbrica, l’operazione può essere fatta più lentamente e la durata della loro vita si allunga, si possono sostituire tempestivamente gli elementi difettosi, prima di essere costretti a rottamarle, la ricarica può essere controllata e modulata in funzione delle esigenze della rete. La sostituzione delle batterie scariche con batterie cariche nelle stazioni di servizio richiede meno tempo di quello necessario a fare un pieno di benzina.

L’uso dell’idrogeno come reagente chimico nelle raffinerie.

     Oltre che come vettore energetico, l’idrogeno si può utilizzare come reagente chimico in alcuni processi industriali. Nelle raffinerie si produce idrogeno col reforming, ne viene effettuata una depurazione accurata e si utilizza per produrre sinteticamente idrocarburi leggeri (benzine) dagli idrocarburi pesanti, in particolare quelli che costituiscono il gasolio. Attualmente il 50 per cento dell’idrogeno viene utilizzato a questo scopo. Questa operazione è molto sviluppata nelle raffinerie americane, che devono ricavare dal petrolio una maggiore quantità di benzina rispetto alle raffinerie europee, perché negli Stati Uniti gli automezzi adibiti al trasporto merci utilizzano benzine, a differenza di quanto avviene in Europa, dove sono equipaggiati con motori diesel. Nelle raffinerie degli Stati Uniti la produzione di una maggior quantità di benzina dal petrolio comporta una perdita energetica di circa il 24 per cento, mentre nelle raffinerie europee, che producono più gasolio, le perdite energetiche si attestano intorno al 10 per cento. La diffusione delle automobili elettriche ridurrà drasticamente questa domanda di idrogeno.

L’idrogeno come reagente chimico in sostituzione del carbone nella siderurgia.

     L’idrogeno potrebbe dare un contributo specifico alla riduzione delle emissioni di CO₂ in alcuni processi industriali, in particolare nella siderurgia, in sostituzione del carbone nei processi di ossidoriduzione dei minerali di ferro e della ghisa. Si tratta di una prospettiva ancora futuribile, sia per ragioni tecniche, sia per ragioni economiche. Benché se ne parli da alcuni anni, non sono stati ancora realizzati né impianti sperimentali, né, tanto meno, impianti industriali in cui questa tecnologia sia stata applicata. L’auspicio è che i problemi tecnologici siano risolti al più presto e si possa passare rapidamente alle applicazioni industriali, anche se non sono concorrenziali economicamente con le tecnologie attualmente in uso, ma dovranno essere sostenute con contributi di denaro pubblico, perché la riduzione delle emissioni di CO₂ e di sostanze inquinanti che ne deriverebbero sarebbero molto importanti non solo per la riduzione dell’effetto serra, ma anche per la salute delle popolazioni che vivono nelle vicinanze delle acciaierie. Deve tuttavia essere ben chiaro che si tratta  di un uso tecnologico dell’idrogeno, che non ha nulla che vedere col suo uso come vettore energetico. 

27 gennaio 2021

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