Idrogeno, un 'ponte' verso il mondo rinnovabile
Focus - L'innovazione per migliorare il nostro presente e il nostro futuro - ENEA per la scuola secondaria di secondo grado
DOI 10.12910/EAI2021-069
di Francesca Santoni e Giulia Monteleone, Laboratorio Accumulo di energia, batterie e tecnologie per la produzione e l’uso dell’idrogeno, ENEA
L'idrogeno non è una fonte energetica ma un vettore, in grado di immagazzinare e fornire grandi quantità di energia senza produrre emissioni di CO₂. Per questo suscita grande interesse a livello globale come elemento strategico per affrontare la sfida climatica e decarbonizzare l’industria, i trasporti, la produzione di energia. L’idrogeno, tuttavia, non si trova sulla terra nella sua forma molecolare e deve essere prodotto da composti più complessi come l’acqua o le fonti fossili: ricerca e innovazione hanno un ruolo chiave nello sviluppo di tecnologie per agevolarne la diffusione.
Introduzione
Con il termine “transizione energetica” si intende il passaggio dal vecchio “mondo fossile” al nuovo “mondo rinnovabile”, ovvero il passaggio da un modello di produzione di energia basato sull’utilizzo di fonti fossili come il petrolio, gas naturale e carbone, ad un modello che si basa su fonti energetiche rinnovabili come eolico e fotovoltaico.
Tale passaggio è motivato non solo dal fatto che le fonti fossili sono risorse esauribili, ma soprattutto dalla necessità di ridurre l’impatto ambientale e le emissioni di anidride carbonica (CO2) prodotte dal loro utilizzo. Infatti, l’aumento di questo gas nell’atmosfera è la principale causa del riscaldamento globale che provoca non solo la fusione dei ghiacciai e l’innalzamento del livello del mare, ma anche la desertificazione e l’aumento di fenomeni, tra cui uragani e inondazioni. Al fine di ridurre tali fenomeni e dare il via quindi ad una transizione energetica che abbia tra i principali obiettivi la decarbonizzazione, l’Unione Europea ha definito una serie di “step”, un percorso, (Figura.1) per trasformare l’Europa nel primo continente a impatto climatico zero, raggiungendo l’ambizioso obiettivo della carbon neutrality entro il 2050.
È in questo scenario che va inquadrato l’interesse crescente verso l’idrogeno che, secondo l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), può offrire un contributo importante “per affrontare molte sfide energetiche e raggiungere gli obiettivi previsti per il 2050”, sia integrando le rinnovabili, sia contribuendo a decarbonizzare i cosiddetti hard-to-abate sectors - come l’industria chimica e siderurgica e i trasporti pesanti - per i quali è difficile azzerare le emissioni ricorrendo all’elettrificazione diretta e alle tecnologie attualmente disponibili.
Le caratteristiche e i ‘colori’ dell’idrogeno
L’idrogeno è il primo elemento della tavola periodica ed è anche il più leggero. Il suo atomo è estremamente semplice essendo formato da un nucleo centrale occupato da una particella carica positivamente chiamata protone, attorno alla quale orbita una particella carica negativamente chiamata elettrone.
Allo stato elementare esiste sotto forma di molecola biatomica, H2, che a pressione atmosferica e a temperatura ambiente è un gas incolore, inodore, completamente atossico, altamente infiammabile; ma l’idrogeno, come già detto, è il più leggero tra gli elementi chimici, la sua densità è minore della densità dell’aria, e questo comporta che in caso di fughe, questo gas si propaghi velocemente verso l’alto.
Tra le caratteristiche più interessanti dell’idrogeno c’è l’elevata densità di energia per unità di massa e una scarsa densità energetica volumetrica rispetto agli idrocarburi quali le benzine. Questo vuol dire che l’energia sviluppata da un chilogrammo di idrogeno è maggiore di quella sviluppata da un chilogrammo di benzina, ma che occupa un volume nettamente maggiore, richiedendo per il suo deposito serbatoi più grandi.
L’idrogeno è l'elemento più abbondante dell'universo osservabile e ne costituisce circa il 75%. Sulla superficie terrestre è praticamente introvabile nella sua forma molecolare; la ragione della sua scarsa abbondanza nell’atmosfera terrestre è dovuta al fatto che la molecola di idrogeno è molto leggera, non viene trattenuta dalla forza di gravità terrestre e tende pertanto a sfuggire dall’atmosfera stessa. Per poterla trattenere è necessaria una forza di gravità molto più grande come quella presente nei cosiddetti ‘giganti gassosi’, quali Giove, Saturno, Urano e Nettuno.
Sulla Terra, quindi, l’idrogeno lo si trova combinato con altri atomi, ad esempio con l’ossigeno nel formare l’acqua, o assieme al carbonio in diversi idrocarburi (il più semplice è il metano CH4), nonché in piante, animali e in altre forme di vita essendo un costituente essenziale delle molecole organiche.
Per poter essere utilizzato l’idrogeno deve allora essere ‘estratto’ da molecole più complesse, e quindi ‘prodotto’ da uno dei composti in cui si trova; questo processo richiede il consumo di energia. Attualmente l’idrogeno viene prodotto per la quasi totalità tramite il reforming del gas naturale (il cosiddetto ‘idrogeno grigio’), dalla gasificazione del carbone (detto anche ‘idrogeno nero’) e dalla lignite (detto anche ‘idrogeno marrone’); tale produzione è associata ad ingenti emissioni di anidride carbonica.
Al fine di rendere la sua produzione più sostenibile, le strade percorribili sono due: la prima è ottenerlo sempre dal gas naturale tramite il reforming, ma catturando e sequestrando la CO2 emessa nel processo (detto anche ‘idrogeno blu’), oppure generarlo dalla scissione della molecola d’acqua (H2O) tramite il processo di elettrolisi con l’utilizzo di energia elettrica rinnovabile (‘idrogeno verde o rinnovabile’).
Ruolo e criticità dell’idrogeno nella transizione energetica
L'idrogeno non è una fonte di energia, ma un vettore energetico, sul quale si ripone grande fiducia a livello globale per far fronte alle sfide climatiche, poiché può immagazzinare e fornire grandi quantità di energia senza generare emissioni di CO₂ durante il suo utilizzo.
Per le sue caratteristiche, questa molecola sta assumendo un ruolo chiave nella decarbonizzazione di diversi settori quali l’industria, i trasporti e l'energia elettrica, tutti comparti nei quali la riduzione delle emissioni di carbonio è tanto urgente quanto difficile.
In quanto vettore energetico, l’idrogeno inoltre può favorire la penetrazione delle stesse fonti rinnovabili non programmabili, quale eolico e fotovoltaico nel sistema energetico, andando ad agire come bilanciatore di rete. Ciò significa, come mostrato nella Figura 2, che l’eccesso di energia elettrica prodotta nei momenti di picco dalle fonti green, può essere utilizzata per produrre idrogeno attraverso il processo di elettrolisi e può, quindi, essere immagazzinata sotto forma di idrogeno, diventando una riserva di energia da utilizzarsi nei momenti di carenza o di maggior richiesta. L’idrogeno così accumulato può essere utilizzato come combustibile pulito, bruciato per produrre calore, o utilizzato in dispositivi chiamati fuel cell (celle a combustibile), per generare energia elettrica in modo pulito ed efficiente.
Le fuel cell possono funzionare anche in modalità reversibile, ossia produrre idrogeno quando l’energia elettrica da rinnovabile è in eccesso, e utilizzare l’idrogeno per produrre energia elettrica in momenti in cui è richiesta, in assenza di rinnovabile (quando mancano il vento o il sole!).
L’idrogeno rappresenta uno dei vettori energetici con maggiore versatilità e flessibilità, il suo utilizzo potrà quindi avere un ruolo importante anche nella produzione di calore privo di CO2 per la decarbonizzazione dell’industria ‘energivora’, come ad esempio i settori dell’acciaio e del vetro che necessitano di grandi quantità di calore industriale per i processi produttivi.
Avrà un ruolo, inoltre, nel futuro della mobilità sostenibile, in primis nei trasporti pesanti e a lungo raggio come descritto nel Piano Nazionale di Sviluppo – Mobilità Idrogeno Italia, elaborato dall’Associazione Italiana Idrogeno e Celle a Combustibile (H2IT) [2]. In particolare, l’idrogeno può essere fondamentale nel trasporto su strada, riducendo le emissioni di CO2 e garantendo al tempo stesso migliore qualità dell’aria in ambiente urbano. Anche nel settore ferroviario, locomotori con powertrain a celle a combustibile sono già concorrenziali agli attuali a trazione diesel, in termini di prestazioni e garanzia del servizio.
Oggi la nascita di una economia dell’idrogeno in Europa è rallentata da ostacoli di varia natura, tra cui: il gap tecnologico, i costi elevati, l’assenza di infrastrutture, di un quadro normativo, regolatorio e autorizzativo favorevole ma soprattutto di investimenti adeguati a finanziare ricerca e innovazione per lo sviluppo di soluzioni e tecnologie d'avanguardia.
L’ENEA e l’idrogeno
L’ENEA è impegnata nella ricerca e sviluppo e nel miglioramento delle tecnologie appartenenti all'intera catena del valore dell'idrogeno, dalla produzione agli usi finali. Grande attenzione viene posta ai sistemi per la produzione dell’idrogeno verde: nell’ambito di un programma di ricerca finanziato dal MiSE (Ricerca di Sistema Elettrico), ENEA sta studiando, su scala di laboratorio, diversi processi innovativi basati sulla produzione di idrogeno tramite l’elettrolisi dell’acqua sia a bassa che ad alta temperatura, cicli termochimici, processi biologici e il refoming del biogas.
A livello europeo, sul tema delle tecnologie dell'idrogeno, ENEA è coinvolta in numerosi progetti H2020 cofinanziati principalmente dalla Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU). Molti di questi riguardano lo sviluppo e la validazione di celle a combustibile ad alta temperatura, lo studio dell'elettrolisi ad alta temperatura e altri ancora il funzionamento delle celle a combustibile con biogas e syngas.
Su scala pilota due progetti europei coordinati da ENEA, puntano allo sviluppo di sistemi innovativi di produzione di idrogeno, basati sul reforming solare e sull'elettrolisi di ossidi solidi (SOE) assistita dall’energia proveniente dal Sole. Ed ancora ENEA è coinvolta in progetti per l’uso dell’idrogeno nel settore marittimo e portuale.
Tra i vari progetti quello che rappresenta la più importante sfida dei prossimi anni, è la realizzazione presso il Centro Ricerche ENEA della Casaccia della prima “Hydrogen Valley” italiana. L’idea di base è creare un incubatore tecnologico che curi tutta la nascente filiera dell’idrogeno: dalla produzione alla distribuzione, dall’accumulo all’utilizzo e che faccia “dialogare” tra loro università, istituti di ricerca, associazioni e imprese.
All’interno Hydrogen Valley italiana si testerà l’impiego di idrogeno puro e in miscela con gas naturale, mettendo a punto miscele idrogeno-metano da immettere nella rete interna di distribuzione del gas. Sarà realizzato un “idrogenodotto” locale ad hoc da utilizzare in modo capillare, a seconda della domanda delle utenze e una stazione di rifornimento per veicoli a fuel cell in uso all’interno dello stesso Centro.
Figura 1 - Gli “step” più importanti del percorso per raggiungere zero emissioni nette nel 2050 in diversi settori strategici quali: edifici, trasporti, industria, elettrificazione e riscaldamento. [1]
Figura 2 - Rappresentazione schematica di un sistema a celle a combustibile per il bilanciamento di rete.
Figura 3 - Alcuni mezzi di trasporto a idrogeno: autobus (a); treno Alstom (b); autoveicolo Toyota (c); camion Hyundai (d)
I percorsi formativi ENEA sul tema dell’idrogeno
Sul fronte della tematica idrogeno l’ENEA è impegnata inoltre in programmi per la divulgazione del proprio know-how a ricercatori e tecnici ma anche in percorsi di formazione per ragazzi. In particolare, è stato attivato un Percorso per le Competenze Trasversali e l’Orientamento (PCTO), rivolto alle scuole secondarie di secondo grado, dal titolo “idrogeno, vettore energetico per la decarbonizzazione” con incontri e lezioni sia virtuali che in presenza presso i laboratori della Casaccia. La proposta prevede un ‘approccio’ graduale di conoscenza che a partire dagli insegnamenti di base sull’elemento idrogeno e sulle tecnologie ad esso associate, è finalizzato a mettere i ragazzi nella condizione di sviluppare autonomamente un proprio progetto sul tema.
ENEA Channel - HYDROGEN DEMO VALLEY - Centro Ricerche ENEA Casaccia
Riferimenti
[1] Net Zero by 2050- A Roadmap for the Global Energy Sector- IEA-May 2021 https://iea.blob.core.windows.net/assets/20959e2e-7ab8-4f2a-b1c6-4e63387f03a1/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector_CORR.pdf
[2] Mobilità ad idrogeno-Piano Nazionale di Sviluppo-H2IT- Novembre 2019