L’idrogeno: il combustibile del futuro

In nome della sostenibilità, l’energia green del futuro potrebbe essere “siglata H”

Si tratta dell’elemento più leggero ed abbondante dell’Universo e secondo molti economisti potrebbe essere il combustibile che sostituirà la benzina nei veicoli a motore del futuro.La continua crescita della popolazione mondiale e la forte aspirazione dei paesi in via di sviluppo a raggiungere standard economici e di qualità della vita vicini a quelli dei paesi più industrializzati, sono le principali cause della crescita ormai inarrestabile della domanda di energia. Il risvolto della medaglia è ormai chiaro a tutti: l’aumento, altrettanto inarrestabile, delle emissioni di gas serra, prima tra tutte l’anidride carbonica.La sfida tecnologica del nuovo secolo, sulla scia del Protocollo di Kyoto, è garantire l’approvvigionamento energetico riducendo, al contempo, le minacce ambientali e climatiche. La rivoluzione verde, cioè la conversione da un’economia basata sui combustibili fossili ad una fondata su fonti di energia pulite e rinnovabili – quali l’idrogeno, appunto – è la vera sfida del futuro che può essere vinta, non senza sforzi.

Ne parliamo con l’ingegnere chimico dott. Giuseppe Sdanghi che, laureatosi a pieni voti presso l’Università di Napoli «Federico II», attualmente svolge una ricerca sullo sviluppo di un compressore innovativo per auto ad idrogeno, all’interno del dottorato in Chimica dei Solidi presso l’Université de Lorraine.

Perché pensare ad una nuova fonte di energia del futuro? E perché proprio l’idrogeno?

Attualmente si pensa all’idrogeno come ad una delle più promettenti fonti di energia per il prossimo futuro, dal momento che quelli che finora sono stati i combustibili per antonomasia, vale a dire carbone, petrolio e gas naturale, detti anche “combustibili fossili”, sono sempre meno disponibili per una popolazione mondiale in continua crescita.

La necessità di ricorrere a combustibili alternativi fu predetta già una quarantina di anni fa dal geofisico statunitense Hubbert, la cui teoria è divenuta molto celebre nel tempo: essa predice un netto declino dell’estrazione di petrolio una volta che la velocità del suo utilizzo eguaglia quella nello scoprire nuovi giacimenti. Ciò non significa, come comunemente si pensa e si dice, che il petrolio, cosi come il carbone, si sta esaurendo, bensì che è sempre più difficile trovare nuovi giacimenti, o perché situati in zone proibitive, a migliaia di chilometri di profondità negli abissi oceanici, o perché il costo degli strumenti tecnici necessari per il prelievo sono piuttosto elevati. Ed è questo il motivo per cui ricorrere a fonti energetiche alternative è ormai necessario. E tra le diverse tipologie, l’idrogeno è particolarmente interessante.

Ci spiega in poche parole cos’è l’idrogeno e dove si trova?

Per chi ha una minima esperienza in chimica parlare di idrogeno è come parlare del numero uno in matematica o della lettera A nell’alfabeto: è l’elemento più semplice esistente in natura, il mattoncino fondamentale di tutta la materia che ci circonda. Tuttavia, non è celebre come l’ossigeno, l’azoto, il ferro o l’oro, perché, a differenza di essi, questa piccolissima particella gassosa… non c’è sul nostro pianeta. Poiché molto piccola, infatti, la particella di idrogeno ha un’energia cinetica (diciamo velocità…) talmente elevata che sfugge all’attrazione gravitazionale del nostro pianeta. In realtà, sin dalla formazione del Sistema Solare l’idrogeno non è mai stato trattenuto nell’atmosfera del nostro pianeta perché la Terra è un pianeta molto piccolo, e pertanto non riesce ad impedire a questo rapidissimo gas di scappare via… Non a caso il pianeta più grande del Sistema Solare, Giove, ha un’atmosfera ricchissima in idrogeno.

Che vuol dire? Come si ottiene l’idrogeno allora se non è presente sul nostro pianeta?

Non vuol dire affatto che occorre andare su Giove per prelevare idrogeno! Per nostra fortuna, come ho anticipato prima, l’idrogeno è l’elemento più semplice della materia che ci circonda. Oserei dire che quasi tutta la materia è fatta di idrogeno. Acqua, gli acidi, i nostri corpi, gli alberi… Molti degli oggetti che ci circondano sono costituiti dall’atomo H.  Morale della favola? Per poter utilizzare l’idrogeno occorre produrlo.

Come si produce l’idrogeno?

Attualmente si produce idrogeno soprattutto a partire da gas naturale (metano), attraverso un processo chiamato “steam reforming”, ma è possibile produrlo anche da oli mediante ossidazione parziale o da carbon fossile che viene gassificato. Questi processi industriali, lo steam reforming soprattutto, non sono particolarmente costosi. Tuttavia, inquinano. Ed un processo industriale straordinariamente vantaggioso richiede, oltre ad un costo non eccessivo, anche un impatto ambientale nullo. Ad oggi, il 48% dell’idrogeno è prodotto da metano, il 30% da petrolio ed il 18% da carbon fossile. Il restante 4% è invece prodotto da acqua. Quest’ultimo processo sembrerebbe sulla carta molto promettente: il gas viene infatti prodotto mediante energia elettrica, che “rompe” la molecola d’acqua formando idrogeno e ossigeno. Tuttavia, la stessa produzione di energia elettrica è causa di inquinamento, e quindi il processo produttivo nella sua globalità ha un non indifferente impatto ambientale. Come se non bastasse, per produrre idrogeno mediante elettrolisi costa circa il 23% in più rispetto alla produzione da metano… Ed ecco spiegata una percentuale così bassa pari al solo 4%…

C’è un modo per evitare o ridurre il rilascio di sostanze inquinanti nell’atmosfera?

Di recente, una maniera per evitare il rilascio nell’atmosfera di inquinanti è quella di utilizzare le cosiddette biomasse, ovvero la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (sostanze vegetali e animali), dalla manutenzione di foreste e boschi e dalle industrie. Secondo la Direttiva Europea 2009/28/CE rientra nella categoria anche la frazione biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. E’ dunque possibile produrre idrogeno a partire da biomassa o mediante trattamento termico “bruciando” e producendo dunque calore, o mediante sistemi più raffinati come la digestione anaerobica, consistente nell’utilizzo di ceppi batterici capaci di “convertire” il materiale di partenza in gas.

Ma ci sono Paesi che attualmente utilizzano l’idrogeno per produrre energia?

Questo genere di produzione si sta sempre più espandendo, e molti paesi europei stanno lentamente spostando i sistemi di produzione di energia da fonti fossili a fonti rinnovabili, come i paesi del Nord Europa. Tra l’altro, non va dimenticato che uno degli obiettivi attuali della politica internazionale confluisce nel celebre “protocollo 20-20-20”, ovvero ridurre del 20% il rilascio in atmosfera di anidride carbonica e produrre il 20% dell’energia a partire da fonti rinnovabili entro il 2020.

Una volta prodotto, in che modo l’idrogeno viene conservato?

Risolto il problema della produzione di idrogeno, resta tuttavia un altro enorme ostacolo per il suo utilizzo, forse il più importante: lo stoccaggio. Come lo conserviamo? Dove lo mettiamo? Una prima ipotesi, che forse verrebbe in mente a tutti perché particolarmente utilizzata oggi con i comuni carburanti, è di rinchiuderlo all’interno di bombole sotto pressione. Ed è quello che più comunemente si fa nei laboratori di ingegneria, quando non è richiesto un quantitativo eccessivo. Una comune bombola industriale ha infatti un volume di quasi 50 litri, e può contenere all’incirca 0,9 kg di idrogeno a 0°C e 1 bar. Quindi questa soluzione è ideale se non servono quantità elevate di gas. Per applicazioni aerospaziali, al contrario, si provvede a liquefare l’idrogeno per poi conservarlo in bombole idonee, ma questo sistema è veramente complicato e soprattutto costoso. Le bombole criogeniche, ideate proprio per mantenere temperature proibitive (l’idrogeno diventa liquido a -253°C!), sono fatte di materiali scelti e coordinate da sistemi particolarmente complessi, e quindi sono molto costose! Non a caso, questa soluzione viene prediletta soprattutto in ambito aerospaziale, in cui il costo non è fattore ostacolante, e le temperature previste non sono eccessive. Le persone più grandi ricorderanno le celebri missioni Apollo, passate alla storia per aver portato l’uomo sulla Luna: ebbene, esse fecero leva proprio sull’utilizzo di sistemi di potenza ad idrogeno (conservato in forma liquida), le celle a combustibile.

Le celle a combustibile?

Sono considerate un po’ come una sorta di chimera della tecnologia di oggigiorno, niente di più sbagliato: sono sistemi reali molto raffinati, affascinanti e promettenti, ma, ancora una volta, particolarmente costosi. E’ soprattutto il costo piuttosto elevato ciò che rende frenato il mercato di questi dispositivi, basti considerare che per ottenere un funzionamento ideale occorre utilizzare platino, metallo più che nobile. Ma il principio di funzionamento è veramente semplice e non inquina affatto, molto simile per alcuni versi a quello di una pila.

Come funzionano?

Si introduce idrogeno su un elettrodo fatto di platino su supporto in carbonio, e mediante un meccanismo elettrochimico si produce energia elettrica, oltre che ossigeno e vapore d’acqua, dunque nessuna specie inquinante. E c’è una differenza netta con le comuni pile. Mentre queste ultime si “scaricano”, poiché gli elettrodi, e quindi la sostanza reagente, prima o poi si esauriscono, le celle a combustibile funzionano fintantoché si introduce idrogeno, prelevato da serbatoi esterni alla cella. Più idrogeno si introduce, più energia elettrica si produce. Certo, anche le celle a combustibile sono soggette ad invecchiamento, ed in genere hanno una durata di una decina di anni. Molteplici sono i casi di ospedali o campus, ovviamente non in Italia ma in Paesi come la Germania o gli Stati Uniti, che utilizzano sistemi di celle a combustibile come dispositivi di produzione di energia elettrica complementari o per casi di black-out del sistema principale.

La sua ricerca ci sembra molto interessante ma perché ha deciso di trasferirsi in Francia per i suoi studi?

Sono venuto in Francia per studiare nello specifico i sistemi a carboni attivi, un modo particolare per conservare appunto l’idrogeno. Il sistema consiste nel conservare l’idrogeno all’interno di piccoli granelli di carbone, in alcuni casi da produrre in laboratorio, in altri già commercializzati da aziende soprattutto giapponesi. Questi tipi di carboni, detti attivi, posseggono delle minuscole cavità e percorsi interni nei quali l’idrogeno si può tranquillamente intrufolare e restarci finché non gli si comanda di uscire. Un po’ come una spugna: l’acqua si intrufola all’interno dei piccoli pori, finché non strizziamo la spugna e l’acqua ritorna libera. Ovviamente, il meccanismo in gioco è molto più complesso, e si tratterebbe di “giocare” con temperature e pressioni per ottimizzarne il funzionamento.

E in Italia non esistono studi del genere?

Vale la pena sottolineare che sono dovuto venire in Francia per studiare un argomento così affascinante, non perché in Italia manchi una tale ricerca, considerando che nell’Università in cui mi sono laureato, alla Federico II di Napoli, si portava avanti un lavoro molto simile. Diciamo solo che all’estero si ha una maggiore diligenza in merito all’utilizzo di fondi europei o internazionali destinati alla Ricerca, e perché no, che si investe molto più sui giovani.


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