L’idrogeno, risorsa di energia
Oggi parliamo di idrogeno. C’è tanto idrogeno nell’universo: un protone di carica positiva, H+, con un elettrone di carica negativa, e-, legato ad esso, per formare l’atomo neutro. Come risultato della nucleosintesi è comparso nell’universo dopo i primi tre minuti dal Big Bang quando, ridottasi la temperatura sotto i 3000 °C, gli elettroni leggeri si sono legati ai nuclei stabilmente, formando l’atomo più semplice. Al tempo attuale, a distanza di miliardi di anni da quel momento, si è diffuso come gas del mezzo interstellare, costituito all’incirca da idrogeno molecolare H2 (76%) e da elio He (23-24%), con una piccolissima parte di elementi più pesanti (definiti nel gergo astronomico “metalli”), polveri (1%) e composti in tracce. Un mezzo rarefatto di pochi atomi per cm3.
Nel cuore delle stelle, ad esempio nel nostro Sole, alla temperatura di 10 milioni di gradi (10 milioni di °C), avviene la fusione, per cui l’idrogeno ionizzato (i nudi protoni H+) dà luogo all’ elio ionizzato (He++), un nucleo formato da due protoni e due neutroni.
L’idrogeno è il primo elemento chimico della tavola periodica (di cui è ricorso nel 2019 il 150°anniversario). Anche se l’idrogeno elementare H2 è quasi assente in natura, fra tutti gli elementi è quello di cui sono noti più composti: praticamente tutti i composti organici, che sono la grande maggioranza dei composti noti, e moltissimi composti inorganici. Forma, con l’ossigeno, la molecola che riteniamo indispensabile alla vita, H2O: l’acqua.
L’idrogeno diventa liquido, alla pressione atmosferica, solo a 21K (-252 °C). Sotto pressione la liquefazione avviene a temperature poche decine di Kelvin superiori. Bisogna salvaguardarsi dal pericolo di fughe perché è altamente infiammabile. Si usa infatti come combustibile propellente per motori a reazione. Reagendo con, per esempio, il fluoro liquido che è un ossidante (acquista i suoi elettroni), sviluppa calore e il gas prodotto ad alta pressione fuoriesce e imprime la spinta al vettore. Costituisce il materiale fissile nella bomba termonucleare che, innescata da fissione nucleare, riproduce in piccolo la fusione nucleare che avviene nelle stelle. Si lavora per costruire macchine (tokamak) in cui possa avvenire fusione controllata per la produzione di energia (ad es. il progetto ITER). Si suppone che l’idrogeno liquido possa presentare in certe condizioni fasi metalliche e si suppone possa diventare superconduttore, nel qual caso potrebbe aprire anche prospettive di grandi applicazioni nel prossimo secolo.
Oggi di idrogeno si parla molto come carburante per motoveicoli. L’idrogeno gassoso può essere bruciato in reazione chimica con l’ossigeno come combustibile in motori tradizionali a combustione interna, come si fa già ad esempio col metano, ma è energia pulita, perché il prodotto di combustione è solo acqua. Tuttavia, si parla molto anche di celle a combustibile che producono elettricità e fanno andare motori elettrici.
Il principio di una cella a combustibile idrogeno riportata in figura è semplice.
Le molecole di idrogeno vengono immesse a quello che diventa un anodo (polo positivo), perché l’idrogeno perde elettroni trasformandosi in ioni H+ (ioni H3O+ in acqua). L’elettrodo in platino (o palladio) agisce da (costoso) catalizzatore accelerando l’ossidazione dell’idrogeno. In simboli: H2→ 2H+ + 2e. Gli elettroni vengono indirizzati, sotto forma di corrente, attraverso un circuito esterno, al motore che produce la trazione elettrica. Giungono poi al catodo, polo negativo, dove è immessa aria. Al catodo giungono anche gli ioni H+ e lì avviene una reazione di riduzione con l’ossigeno dell’aria che produce acqua. L’azoto (i 4/5 dell’aria) non partecipa alla reazione. Globalmente, la reazione è:
O2 + 4e– + 4H+→ 2H2O
Il prodotto è solo acqua. Più ecologico di così!
Lo scorso anno sono state immatricolate in Italia 7 auto a idrogeno tra Toyota Mirai e Hyundai Nexo, gli unici due modelli attualmente disponibili. Il nostro Paese gode di un solo distributore di idrogeno, a Bolzano. L’impianto di rifornimento in questione è caratterizzato dalla presenza della produzione in loco dell’idrogeno, che avviene attraverso l’impiego di elettricità al 100% rinnovabile, frutto dell’imponente generazione idroelettrica dell’area. Il costo per il rifornimento è pari a circa 13,7 €/kg, il che vuol dire che per fare il pieno a una Hyundai Nexo o all’attuale Toyota Mirai servono circa 70-80 € e 5 minuti di tempo. A titolo di esempio, vale ricordare che il serbatoio della Hyundai ha un’autonomia calcolata in ciclo WLTP pari a 666 km. Non molto più costoso, quindi, di un’auto che consuma benzina per circa 8 L (litri) in 100 km. Da notare inoltre che il rifornimento per le auto avviene a 700 bar di pressione (circa 700 atmosfere), mentre per gli autobus sono sufficienti 350 bar. Le vendite di autoveicoli ad idrogeno nel mondo sono di circa 2 milioni di esemplari.
Come procurarsi l’idrogeno molecolare H2, del quale non vi sono fonti naturali? A questo punto nasce una ridda di denominazioni per l’idrogeno, tante quante sono i modi per produrre l’idrogeno gassoso.
Il metodo più ecosostenibile è la cella elettrolitica che andiamo a descrivere.
La cella a combustibile descritta genera energia sotto forma di una corrente elettrica che, per esempio, fa muovere le ruote dei veicoli. Le reazioni chimiche descritte sono reversibili e si può invertire il processo, fornendo corrente elettrica e acqua per produrre H2 e O2 gassosi. Il metodo è noto fin dalla fine del ‘700 e si chiama: elettrolisi dell’acqua. La corrente elettrica, passa attraverso acqua in soluzione in una cella elettrolitica. L’acqua non deve essere pura, ma contenere un soluto ionico, per permettere che il moto degli ioni H+ e OH- nella soluzione chiuda il circuito esterno su un generatore elettrico che fa muovere elettroni. Invertendo il senso delle frecce nelle due reazioni descritte sopra, elettroni vengono ceduti al catodo (polo negativo del circuito elettrico): 2H+ +2e– → H2, mentre elettroni vengono prelevati all’anodo (polo positivo) e messi in circolazione dal generatore nel circuito elettrico: 4 OH- – 4e– → 2H2O + O2. Una descrizione equivalente dell’elettrolisi è dire che al catodo le molecole H2O acquistano elettroni e si formano ioni OH- e idrogeno gassoso H2. Gli ioni OH- diffondono verso l’anodo. All’anodo le molecole H2O cedono elettroni, sviluppano ossigeno gassoso O2, e producono ioni H+ che diffondono verso il catodo. Gli ioni H+ e OH-, incontrandosi per diffusione, riformano l’acqua.
La nave cisterna Hydrogen Challenger, ancorata nei pressi dell’arcipelago di Helgoland è stata convertita nel 2004 a questo scopo e l’idrogeno gassoso viene scaricato nel porto di Bremerhaven. La corrente elettrica è prodotta da un aerogeneratore ad asse verticale, in pratica da pale messe in rotazione dal vento.
L’idrogeno così prodotto, ecosostenibile, è detto idrogeno verde (green H). Se si impiega vento o fotovoltaico, o anche idroelettrico per produrre idrogeno verde, si può attivare il processo nei momenti di minore richiesta di potenza elettrica da parte della rete elettrica distributiva e utilizzare l’idrogeno prodotto come riserva di energia.
L’ idrogeno grigio generato da gas naturale, o metano, è quello più diffuso: vapore ad alta temperatura di gas metano reagisce con l’acqua, rilasciando purtroppo anidride carbonica, CO₂, nell’atmosfera, e contribuendo così al problema del riscaldamento globale. Anche l’Eni progetta e lavora per la cattura, lo stoccaggio del Carbonio prodotto in questi processi e il suo utilizzo. E’ previsto un sito per lo stoccaggio di CO₂ al largo di Ravenna e la riconversione dei giacimenti esauriti dell’Adriatico, che non produrranno più gas naturale, a siti di stoccaggio esclusivo e permanente di CO₂, con il riutilizzo di una piccola parte delle infrastrutture esistenti. In pratica la CO2 è per il momento una scoria che si spera di poter riutilizzare. Nel caso di produzione dell’idrogeno con stoccaggio di CO2, l’idrogeno viene detto idrogeno blu.
Ma le emissioni peggiori sono quelle per la produzione di idrogeno marrone dalla lignite e idrogeno nero dal bitume, perché sia la CO2 che il monossido di carbonio CO prodotti nel processo, non vengono catturati. Poi c’è l’idrogeno viola se proviene da elettrolisi alimentata da energia nucleare.
Tuttavia, sia il green H che l’idrogeno viola, che sono prodotti da elettrolisi e non da combustibili fossili, presentano un grave problema. Uno studio di Leonardo Setti (Università di Bologna) e Sofia Sandri (Centro per le Comunità Solari), commissionato da ReCommon, confermano che, per produrre 1 kg di H da elettrolisi occorrono circa 9 L di acqua.
La strategia prevista dalla Commissione Europea perché l’H sia il perno della decarbonizzazione, pone la richiesta che la percentuale annua di energia all’H debba essere del 2% entro il 2024, per raggiungere il 15-22% annuo nel 2050 (equivalente a circa 1300-1800 TWh annui) (Tera-Watt-ora: unità di energia con T = mille miliardi). In corrispondenza l’Italia prevede 700 kton (kilo tonnellate) annue di H entro il 2030 che corrispondono a 6,3 Mm3 (milioni di metri cubi) annui di acqua e 0,6 Gm3 (miliardi di metri cubi) annui nel 2050. Ma questo è stato stimato come lo 0,3 % del consumo totale di acqua dolce europeo annuo! La Commissione Europea (e con essa l’Italia) è cosciente della irrealizzabilità di questi obiettivi e valuta che solo 0,8 Mton annui (a fronte dei 10 Mton annui previsti per il 2030) sarebbero prodotti da energia rinnovabile. Il resto potrebbe ancora essere prodotto da elettrolisi ma proveniente da centrali nucleari esistenti e comunque di importazione. Si pensa di importare il green H attraverso il gasdotto Transmed (di Algeria e Tunisia, controllato da Eni e Snam), il gasdotto Tap (controllato da Grecia con Snam), idrogeno viola dall’Ucraina attraverso il gasdotto Tag (controllato da Snam), proveniente da centrale nucleare.
Al di là delle cifre, alcune considerazioni impensieriscono. I periodi di siccità comportano scarsità di acqua (al momento il Po porta volumi ridottissimi di acqua) e in particolare scarsità differenziata da regione a regione. Gli impianti previsti, che dipendono dalla quantità d’acqua disponibile in loco, non potranno essere distribuiti uniformemente sul territorio nazionale. Questo costituirebbe un ulteriore fattore di impoverimento ineguale, se si prevede un’estensione dell’autonomia regionale differenziata. Ma più in generale, andrebbe esaminato il fatto che l’acqua, da “bene comune” di sussistenza generale ed indifferenziata, sempre più diventa materia prima di produzione e quindi “merce” e potrebbe risentire degli stessi effetti speculativi che al momento vediamo nei combustibili fossili. Un piccolo esempio di questo, su scala molto limitata, lo offrono le acque in bottiglia, commercializzate sul territorio nazionale. Questi aspetti smorzano gli entusiasmi e andrebbero valutati con cautela.
Arturo Tagliacozzo
*Il materiale di questo contributo, testo e figura (adattata), deriva da Wikipedia e la parte di commento riportante la strategia comunitaria è tratta dall’articolo apparso su “Domani” il 31luglio 2022, “La strategia sull’idrogeno non tiene conto dell’acqua” a firma Elena Gerebizza (ReCommon). Ringrazio il prof. G.Avitabile per chiarificazioni sulla chimica dei processi descritti.
