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Tecnologie Innovative

Idrogeno

Caratteristiche, produzione, accumulo, trasporto

L’idrogeno (H) è il più leggero e comune elemento in natura, ma sulla Terra è difficile da trovare come elemento isolato. Infatti lo si trova essenzialmente come componente - combinato all’ossigeno - dell’acqua, assieme al carbonio in diversi idrocarburi, nonché in piante, animali e in altre forme di vita. L’idrogeno che compone l’acqua e le altre forme organiche rappresenta oltre il 70% di tutto ciò che si trova sulla superficie terrestre.

Una volta isolato, l’idrogeno diviene una utile riserva, o fattore di produzione, per una varietà di attività industriali, nonché un combustibile dalle grandi potenzialità, sufficiente a fornire energia per quasi tutti gli impieghi nella società, dalle unità abitative ai servizi elettrici, dalle imprese all’industria ai trasporti.

 

 

Le celle a combustibile (fuel cells) rappresentano oggi la tecnologia più utilizzata per produrre energia meccanica, elettrica e termica a partire dall'idrogeno. Per maggiori informazioni specifiche sulla cogenerazione con celle a combustibile, vedi la voce corrispondente nel menu di destra. 

Ricordiamo che l’idrogeno, dal momento che deve essere estratto dai suoi composti attraverso processi che consumano energia, va considerato più un vettore energetico (come ad esempio l’elettricità) che una fonte energetica primaria (come ad esempio il petrolio).  

Caratteristiche

L’idrogeno presenta caratteristiche molto particolari. E’ assolutamente incolore, inodore e insapore, e può essere prodotto, stoccato e utilizzato sia in forma gassosa che in forma liquida.

La combustione dell'idrogeno produce, come unico scarto, acqua o vapore acqueo. Infatti due molecole di idrogeno (H2) si combinano con una di ossigeno (O2), provocando una reazione chimica rappresentabile come:

2H2 + O2 = 2H2O 

L'idrogeno, grazie ad una combustione priva di prodotti di scarto quali anidride carbonica, polveri e incombusti, rappresenta senza dubbio il carburante più ecologico oggi esistente (almeno in fase di utilizzo).

L’idrogeno, liquido o gassoso che sia, ha però lo svantaggio di possedere una densità molto bassa, al punto che l’energia per unità di volume è inferiore a quella degli altri combustibili tradizionali:

• 1/5 di quella del metano, per l’idrogeno gassoso
• 1/3 o 1/4 dei combustibili liquidi, per l’idrogeno liquido

Si tratta di una caratteristica che ne rende complesso l’immagazzinamento e il trasporto, nonché l’utilizzo su veicoli terrestri. Da notare invece come l’energia per unità di massa sia da 2.4 a 6 volte superiore a quella degli altri combustibili: questo costituisce un indubbio vantaggio in campo aeronautico e aerospaziale.

L’utilizzo di idrogeno, inoltre, pone alcuni problemi di sicurezza, in relazione alla possibilità di combustioni accidentali. Questo è dovuto soprattutto al basso valore di energia minima di accensione (0,02 MJ), che è inferiore di circa 10 volte a quella degli altri combustibili. Nell’industria chimica grandi quantitativi di idrogeno vengono normalmente utilizzati in tutta sicurezza; il problema, quindi, rimane quello di garantire questa sicurezza ai veicoli e agli impianti di erogazione. Su questi aspetti esistono pareri discordanti, anche perché l’idrogeno gassoso ha la caratteristica di essere molto leggero e di disperdersi velocemente nell’aria, portandosi velocemente al di sotto del limite di infiammabilità.

L’idrogeno inoltre ha il vantaggio di essere atossico, diversamente dal metano e dalle benzine ad elevate concentrazioni.  

Come si produce 

Ad oggi, la maggior parte dell’idrogeno viene prodotto nelle raffinerie di petrolio o dall’industria chimica. In genere, l’idrogeno non viene commercializzato ma impiegato sul posto, principalmente come elemento di raffinazione del petrolio e per la lavorazione di fertilizzanti ammoniacali, resine, plastiche, solventi e altri prodotti industriali.

Solo una piccolissima parte dell’idrogeno prodotto viene qualificata come “commerciale” e distribuita sotto forma liquida o gassosa, a dimostrazione dello scarso impiego dell’idrogeno come vettore energetico.

La produzione mondiale annua di idrogeno è di circa 600 miliardi di Nm³, equivalenti a 50 milioni di tonnellate, ottenuti:

• per il 50% da reforming del gas naturale
• per il 30% dal cracking di idrocarburi più pesanti (petrolio)
• per il 16% dalla gassificazione del carbone.

Il rendimento di questi processi è molto basso, dal momento che viene perso il 30-50% dell’energia contenuta nel combustibile primario. Senza contare che si tratta in ogni caso di combustibili fossili che rilasciano notevoli quantitativi di CO2.

La produzione da acqua tramite elettrolisi ha un migliore bilancio energetico, ma rappresenta soltanto il 4% della produzione attuale ed è destinata unicamente ad applicazioni che richiedono un elevato livello di purezza.

Vediamo ora brevemente una rassegna delle principali tecnologie di produzione dell’idrogeno.

Reforming del gas naturale

Il modo più comune e meno costoso per produrre idrogeno è attraverso il reforming del gas naturale. Il procedimento comporta un surriscaldamento –in un reattore catalitico- del metano, di cui il gas naturale è in gran parte composto. Questo procedimento isola gli atomi di idrogeno; quindi viene aggiunto il vapore per liberare più idrogeno, producendo come scarto anidride carbonica.

Gassificazione

I gassificatori sono impianti che realizzano processi di combustione in regime di scarsità di ossigeno. Diversamente dalla normale combustione, con la gassificazione si innesca un particolare processo detto di pirolisi, cioè di decomposizione termochimica della materia utilizzata (carbone, rifiuti, biomasse), che porta alla scissione dei legami chimici originari e alla formazione di gas di sintesi (syngas) ricco, tra l’altro, di idrogeno. E’ compito poi di opportuni reattori chimici, posti a valle del gassificatore, trasformare il syngas in idrogeno della purezza desiderata.

Elettrolisi

Si tratta di un processo ancora poco diffuso, ma con ottime prospettive di medio-lungo termine. Attraverso l’uso di elettricità, l’elettrolisi porta alla scissione delle molecole d’acqua in atomi di idrogeno e di ossigeno. Si utilizza quindi l’energia elettrica per realizzare una reazione chimica, in modo esattamente opposto a quanto avviene con le pile.

Questo procedimento si è già dimostrato efficiente sotto il profilo dei costi, almeno per la produzione di idrogeno estremamente puro in quantità limitate. L’impiego dell’elettrolisi a partire da fonti rinnovabili di energia dà luogo a un ciclo di produzione estremamente pulito e rappresenta anche una enorme fonte potenziale di idrogeno. I costi dei sistemi a elettrolisi basati su impianti fotovoltaici o eolici sono ancora elevati, ma il notevole miglioramento tecnologico si accompagna anche ad una costante diminuzione dei costi.

Le zone in cui davvero l’elettrolisi può essere utilizzata su grande scala a partire da fonti di energia rinnovabile sono quelle in cui c’è già una capacità idroelettrica a basso costo. Anche in questi casi comunque il costo dell’energia elettrica rappresenta all’incirca il 70% del costo dell’idrogeno prodotto. Da non dimenticare le opportunità offerte dall’energia geotermica, ove disponibile in grandi quantità, come dimostra il caso virtuoso dell’Islanda (vedi anche www.newenergy.is).

Immagazzinamento

Per diventare un importante vettore di energia, l’idrogeno deve anche poter essere immagazzinato e trasportato in modi economicamente efficienti. Si tratta di una sfida notevole, data la bassa densità energetica. Esistono diverse tecnologie di stoccaggio, che dipendono soprattutto dal tipo di applicazione.

La maggior parte delle ricerche riguardano il settore dell’autotrazione, per il quale esistono due principali alternative:


Serbatoio per idrogeno gassoso e compresso a pressioni da 200 a 700 bar (compressed gaseous hydrogen, CGH2)
Serbatoio per idrogeno liquido a temperature criogeniche (liquid hydrogen, LH2)


Le case automobilistiche sembrano preferire l’utilizzo di idrogeno gassoso, ma non mancano veicoli studiati per l’alimentazione a idrogeno liquido. Al momento non è ancora chiaro quale sarà la scelta vincente e quindi ancora per qualche tempo si assisterà a una coesistenza delle due alternative. Anche i primi distributori a idrogeno saranno probabilmente studiati per offrire idrogeno sia in forma liquida che gassosa.

Gli svantaggi dell’idrogeno gassoso rispetto a quello liquido, in termini di volume dei serbatoi, possono essere superati soltanto applicando pressioni di 700 bar, ben superiori a quelle attualmente impiegate per il metano (200 bar).

Ma anche i serbatoi criogenici per l’idrogeno liquido presentano un grande ostacolo: il boil-off, cioè l’ evaporazione dell’idrogeno dal serbatoio. Si tratta di perdite che, nonostante gli alti livelli di coibentazione, vanno dallo 0.1% al giorno per grandi serbatoi, fino al 2% al giorno per i serbatoi di piccola taglia. Le perdite sono proporzionali al rapporto superficie/volume: questo fattore costituisce un problema non del tutto risolto per i piccoli serbatoi dei veicoli.

Senza contare che la riduzione allo stato liquido dell’idrogeno richiede un notevole consumo di elettricità. Inoltre l’idrogeno liquido deve essere conservato a temperature inferiori a 250 C°, con tutto ciò che questo comporta in termini di maggiori costi.


Altre opzioni di stoccaggio prevedono l’impiego di idruri metallici e di nanostrutture di carbonio, ma si tratta di tecnologie ancora in fase di studio e di perfezionamento.


Il trasporto

Esistono diverse alternative per il trasporto dell’idrogeno:

• Via tubo (idrogeno gassoso)
• Via gomma (idrogeno liquido e gassoso)
• Via treno e via nave (idrogeno liquido)


Trasporto via tubo

Così come è accaduto con i metanodotti, si può ipotizzare che anche l’idrogeno in futuro verrà trasportato sulle lunghe distanze attraverso appositi idrogenodotti. Si tratta di condutture simili a quelle utilizzate per il gas naturale, ma modificate per adattarsi alla minor densità energetica tipica dell’idrogeno gassoso.

Condutture per il trasporto dell’idrogeno già esistono in aree industriali di Stati Uniti, Canada, ed Europa. In Germania è operativo sin dal 1939 un idrogenodotto di 210 km. Attualmente, l’idrogenodotto più lungo esistente al mondo –di proprietà della francese Air Liquid- misura 400 km tra il nord della Francia e il Belgio. Negli Stati Uniti ci sono oltre 720 km di idrogenodotti, situati lungo la costa che si affaccia sul Golfo del Messico e attorno ai Grandi Laghi. Nel 2008, ad Arezzo è stato realizzato il primo idrogenodotto urbano al mondo: si tratta di tubature interrate della lunghezza di 500 metri, al servizio di alcune industrie cittadine (vedi www.idrogenoarezzo.it).

Uno dei più grandi problemi da risolvere nella creazione degli idrogenodotti è l’elevato costo di realizzazione, che incide notevolmente sul prezzo dell’idrogeno stesso. C’è però da osservare come gli idrogenodotti necessitano di distanze inferiori rispetto a quelle dei gasdotti; l'idrogeno infatti può essere prodotto vicino al luogo di utilizzo, nell'ottica della generazione distribuita di energia. Inoltre, poiché l’idrogeno è decisamente più costoso del metano, anche i costi di trasporto incidono meno sul costo finale.

Tutti gli idrogenodotti esistenti, realizzati in acciaio al carbonio o basso legato, stanno dimostrando una buona resistenza e una lunga vita utile.

Trasporto via gomma

L’idrogeno può essere trasportato via gomma in due modalità:


Autocarri criogenici (idrogeno liquido)
Carri bombolai (idrogeno gassoso)


Mentre un serbatoio criogenico per tir può trasportare circa 3,5 tonnellate di idrogeno, un carro bombolaio arriva a poco più di 500 kg. Nel trasporto via terra, quindi, l’idrogeno gassoso è particolarmente svantaggiato: facendo un confronto con la benzina, risulta che sarebbe necessario un traffico di autobotti 16 volte superiore. Va meglio invece per l’idrogeno liquido, con un aumento di 2,5 volte del traffico di autobotti.

Quindi, se il trasporto via gomma dell’idrogeno liquido sembra essere una strada percorribile, lo stesso non si può dire per quello gassoso, al quale sono da preferire gli idrogenodotti.

Trasporto via treno e via nave

Il trasporto su rotaia di grandi quantità di idrogeno liquido è già oggi una soluzione praticata, soprattutto negli Stati Uniti. Ancora in fase di studio la possibilità di realizzare grandi navi in grado di trasportare idrogeno liquido, in modo simile a quanto avviene con le navi metaniere che trasportano gas naturale liquefatto (GNL).

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