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Progetto : ENERGIA A IDROGENO

Energie rinnovabili: cosa sono e come funzionano

Le fonti energetiche rinnovabili, a differenza delle fonti di energia non rinnovabili, sono forme di energia che rispettano le risorse provenienti dal mondo naturale. Non inquinano e non si esauriscono, dal momento che hanno la capacità di rigenerarsi a fine ciclo. Da tempo hanno fatto il loro ingresso anche nel nostro Paese e si stanno sempre più affermando come energia del futuro, a disposizione di tutti, pulita ed economica. Oggi è possibile coniugare maggiore sostenibilità ed efficienza energetica con modelli di bioedilizia come la casa passiva.

Principali fonti di energia rinnovabile

  • Energia solare: l’energia solare, sicuramente la più nota tipologia di energia verde, è una fonte di energia ottenuta dal sole, utilizzabile per riscaldare o raffreddare case e ambienti di lavoro. Questa energia del futuro viene già impiegata da tempo anche in Italia sia per accontentare la richiesta di energia da parte di case e uffici. L’energia del sole, che naturalmente è illimitata, viene convertita in energia elettrica attraverso pannelli solari e impianti fotovoltaici.
  • Energia eolica: grazie alle pale eoliche l’energia meccanica prodotta dalla massa di aria spostata dal vento viene convertita in energia elettrica sfruttabile nelle nostre case.
  • Energia geotermica: questa energia pulita sfrutta, attraverso apposite apparecchiature, il calore della terra che si manifesta con fenomeni naturali come sorgenti termali, geyser e soffioni.
  • Energia da biomasse: si tratta della prima energia di tipo rinnovabile utilizzata dall’uomo. L’energia biomasse è infatti quella prodotta da qualsiasi componente di origine biologica, dai microrganismi fino alle piante o agli animali. La legna da ardere ne è un esempio e, anche se si esaurisce, viene considerata rinnovabile perché gli alberi possono essere ripiantati.
  • Energia idroelettrica: anche l’energia idroelettrica è esauribile ma rinnovabile, a patto che l’uomo non la sfrutti in modo esagerato. L’acqua viene impiegata per generare energia, tramite l’installazione di generatori ad asse verticale ed orizzontale.
  • Energia marina: questa energia alternativa rinnovabile è generata dalle correnti oceaniche, in pratica da enormi masse di acqua. Lo sfruttamento dell’energia marina e la sua conversione in energia elettrica avviene, come nel caso dell’energia eolica, grazie all’installazione di generatori ad asse verticale e orizzontale.

Fonti rinnovabili e non rinnovabili: le differenze

Le fonti energetiche rinnovabili sono dunque quelle che non sono destinate a esaurirsi. Non tutte, fra le tante risorse della terra che utilizziamo, hanno questa capacità di poter essere rigenerate per il nostro impiego e, fra quelle rinnovabili, alcune possono essere rigenerate più velocemente di altre, a favore di una maggiore sostenibilità e quindi di un maggior impatto in termini di efficienza energetica. Si tratta comunque sempre di energie pulite con un impatto ambientale minimo rispetto a quello provocato dalle fonti energetiche non rinnovabili, raggruppabili in due grandi categorie: combustibili fossili e combustibili nucleari. I primi derivano da materia organica sedimentata negli strati terrestri. Tra i principali ci sono il carbone, il gas naturale ed il petrolio greggio. I combustibili nucleari derivano invece principalmente dall’uranio. Tutte le energie non rinnovabili sono quindi generate da fonti esauribili e, nella maggior parte dei casi, anche fortemente inquinanti.

Energie rinnovabili in Italia

Nell’ambito del processo di transizione energetica, l’Italia è fra le principali utilizzatrici di energia rinnovabile, in particolare nel 2018 l’Italia si è posizionata al 3° posto in Europa per contributo ai consumi di energia da FER (Fonti Energetiche Rinnovabili) e al 4° posto considerando il contributo ai consumi di energia complessivi. Dal Rapporto 2018 Fonti rinnovabili in Italia e in Europa emerge, inoltre, che tra i cinque principali Paesi UE per consumi energetici complessivi, l’Italia registra nel 2018 il valore più alto in termini di quota coperta da FER (circa 18%).

A livello di singole fonti, sul totale delle energie rinnovabili, in Italia (fonte Terna “Statistiche Regionali 2018”):

  • il 52% proviene da risorsa idroelettrica
  • il 23% da solare fotovoltaico
  • il 18% da fonte eolica
  • il 6% da altre fonti (ad es. geotermoelettrica)

L’energia pulita è quindi in crescita, sia per i suoi vantaggi ambientali sia per quelli economici, come la possibilità di usufruire delle detrazioni del cosiddetto ecobonus o degli incentivi del conto termico.

Economia dell’idrogeno

Da Wikipedia, l’enciclopedia libera.Jump to navigationJump to searchDisambiguazione – Se stai cercando il saggio di Jeremy Rifkin su un’economia basata sull’idrogeno, vedi Economia all’idrogeno (saggio).

Un’economia dell’idrogeno (o, per meglio dire, un’economia basata sull’idrogeno) è un tipo di sistema economico ipotizzato per il futuro in cui varie forme di energia vengono immagazzinate sotto forma di idrogeno (H2, gassoso, liquido o in composti come gli idruri metallici) da utilizzare sia in applicazioni in movimento che per fornire ulteriore energia alla rete elettrica nazionale e mondiale nei momenti di carico energetico eccessivo.

In particolare, verso la fine del XX secolo si è rapidamente sviluppato il progetto di un’automobile a idrogeno, che usa l’idrogeno come combustibile in particolari celle o pile, che generano tensione elettrica capace di muovere un qualsiasi motore elettrico, senza però rimpiazzare del tutto benzina e gasolio: infatti l’idrogeno non si trova in natura e per questo motivo, non è una fonte di energia in quanto va prodotto. Esempi di autostrade ad idrogeno sono in progetto in Europa (Autostrada A22) e in USA (California Hydrogen Net). Una siffatta economia necessita di una nuova infrastruttura di produzione, stoccaggio e trasporto del nuovo combustibile che allo stadio base in natura non si presenta allo stato liquido come i combustibili fossili, ma allo stato gassoso necessitando del superamento di diversi problemi energetici e tecnologici associati.Autobus a pila a combustibile alimentata da idrogeno, Mercedes-Benz Citaro all’Autotec 2006 a Brno

direttiva europea idrogeno

https://www.europarl.europa.eu/doceo/document/TA-9-2021-0241_IT.html

Introduzione

Secondo il DOE, la produzione di idrogeno ammonta a 9 milioni di tonnellate all’anno, per il 95% prodotti tramite il reforming di metano con vapor d’acqua (efficienza energetica dell’80%, ma si producono 9 kg di CO2 per ogni kg di H2 ottenuto)[1][2][3].

Il tasso di crescita stimato per la produzione d’idrogeno è del 10% annuo. Dal momento che lo stoccaggio dell’idrogeno e il suo trasporto sono molto onerosi, la maggior parte di esso viene di norma prodotta e utilizzata localmente (immediatamente) per il consumo interno, dalle stesse industrie che lo producono, in genere raffinerie di petrolio, oppure fabbriche appartenenti all’industria pesante.

Correntemente, la produzione dell’idrogeno avviene per il 48% da gas naturale, per il 30% dal petrolio (sottoprodotto della distillazione e reforming del gasolio), per il 18% dal carbone; l’elettrolisi dell’acqua viene impiegata per produrre soltanto il 4% dell’H2. Esistono progetti finanziati dal DOE che studiano la possibilità di separare l’idrogeno dall’ossigeno alle medie temperature (350 °C), in soluzioni di H2S, impiegando concentratori solari[4].

Nel 2005, il Dipartimento per l’Energia degli Stati Uniti ha fissato un obiettivo di costo per il 2015 pari a 2-3,00 $/Kg di idrogeno (dollari del 2005, non tassati), equivalenti a 2-3,00 $/gallone di benzina.[5]

La produzione tramite elettrolisi, ha efficienze che variano dal 50 al 70%[6] (a seconda della densità di potenza, temperatura e dei catalizzatori impiegati). Questa procedura si ritiene conveniente laddove si abbia un eccesso di potenza elettrica non immagazzinabile (ad esempio, innalzandola tramite condotte forzate da un bacino idrico inferiore a uno superiore), oppure dove non sia fattibile trasportare la corrente elettrica prodotta con linee elettriche. Nel caso si impieghino metodi di generazione che non producono anidride carbonica (eolico[7], solare fotovoltaico[8], nucleare[9]), la bassa resa dell’elettrolisi risulta accettabile in una logica di riduzione delle emissioni globali di CO2[10]

Sono in corso di ricerca e sviluppo nuovi metodi per la produzione di idrogeno: alcuni sono basati sulla coltivazione e produzione diretta da parte di microscopiche alghe azzurre modificate geneticamente[11][12][13], altre sull’azione di enzimi su substrati come la spazzatura urbana o la stessa acqua semplicemente esposta alla luce solare concentrata con specchi (ad alte temperature e con catalizzatori).[14]

Essendo in crescita sia la popolazione mondiale che l’agricoltura intensiva che l’alimenta, la domanda per un impiego massiccio dell’ammoniaca è crescente. L’hydrocracking rappresenta un’area di ancora maggiore crescita, dal momento che il corrente aumento dei prezzi del petrolio incoraggia le compagnie petrolifere ad estrarre petrolio da sorgenti prime più povere (con idrocarburi più pesanti[15], ricchi in cere, bitume, olefine, nafta, e più sporche in zolfo), come le sabbie della “fascia bituminosa” dell’Orinoco in Venezuela, oppure gli scisti bituminosi del Canada.

Necessità dello sviluppo dell’economia ad idrogeno

Produzione di energia a partire dall’idrogeno: alla fine del ciclo si produce energia ed acqua pura.

L’elettricità ha rivoluzionato la qualità della vita umana sin dal tardo XIX secolo consentendo un più facile utilizzo delle fonti energetiche disponibili. Invenzioni come la dinamo e l’illuminazione elettrica iniziarono a crescere dopo l’invenzione della corrente continua. Successivamente l’alternatore e la corrente alternata permisero la trasmissione di energia elettrica su grandi distanze a grande scala.

Correntemente, il bilanciamento del carico sulla rete energetica viene compensato variando la potenza prodotta dai generatori. Nonostante tutto, l’elettricità è difficile da accumulare efficientemente per usi futuri.

Il sistema più ampiamente utilizzato (il più efficiente sotto il profilo dei costi) per l’immagazzinamento di grandi quantità di energia di rete è lo stoccaggio a acqua pompata, che consiste nel pompare acqua in una riserva o un lago chiusi da una diga (oppure con tubi in salita ed in discesa) e nel generare energia idroelettrica per soddisfare il picco. Questi sistemi non possono essere resi portatili o poco ingombranti. Un’altra alternativa di minore ingombro come il condensatore ha una densità energetica troppo bassa. Gli accumulatori hanno una densità energetica bassa ed inoltre sono lenti nelle fasi di scarica e ricarica. L’accumulo energetico in volani, a parità di dimensioni, può risultare più efficiente rispetto alle batterie, ma comporta problemi di sicurezza per via della possibilità di rottura esplosiva.

Contemporaneamente alla diffusione dell’elettricità, si sviluppava un’altra fonte di energia portatile: idrocarburi derivati dal petrolio, che fornivano energia chimica ai motori a combustione interna, trasformandola in energia meccanica per molti tipi di veicoli come automobili, navi ed aerei. I motori a combustione interna, grazie alla maggiore autonomia, leggerezza, potenza e relativa efficienza del motore e all’alta densità energetica degli idrocarburi, si imposero sui vecchi tipi di locomozione, come la vecchia locomotiva a vapore, l’aria compressa, e le prime auto elettriche a batterie. L’alto rapporto potenza-peso di questi motori ne faceva l’unico metodo impiegabile nel primo aeroplano.

La probabile fine nel XXI secolo delle fonti più economiche di idrocarburi e l’effetto serra dovuto alle emissioni di diossido di carbonio (CO2) hanno dato luogo alla ricerca di alternative agli idrocarburi fossili che non diano luogo a questi problemi.

Alcuni pensano che le celle a combustibile, utilizzanti idrogeno come carburante, siano dal punto di vista della convenienza globale l’equivalente futuro del motore a combustione interna del XX secolo o del motore a vapore nel XIX secolo.

L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo. Possiede anche un eccellente densità energetica[16], più efficiente rispetto a quella del metano o dei tipici carburanti per il motore a combustione interna in rapporto al peso, cosa che ne consiglia l’impiego in razzi come lo space shuttle.

In teoria l’unica emissione delle celle a idrogeno è acqua pura. Inoltre le celle a idrogeno sono più efficienti rispetto al motore diesel. In effetti, il motore a combustione interna ha un’efficienza del 20-35%, mentre la pila a combustibile ha un’efficienza elettrica che va dal 40 al 49%, ed in modalità di cogenerazione (elettricità e calore) gli impianti di celle a combustibile forse raggiungeranno un’efficienza energetica pari all’80-85%.[17]

Altre tecnologie innovative, in concorrenza con le pile a combustibile ad idrogeno, dimostrano un’efficienza elettrica vicina al 30-35%.

Fonti centralizzate di idrogeno progettate

Grossi generatori d’idrogeno ad alta efficienza combinati con un sistema di distribuzione (come le condotte del gas naturale ma in grado di affrontare le ulteriori sfide poste dal trasporto dell’idrogeno) e le pile a combustibile che funzionano con idrogeno possono essere in grado di sostituire gli odierni sistemi di distribuzione elettrica e di generazione, in aggiunta ai veicoli a carburanti fossili. Sistemi simili sono normalmente utilizzati nell’ambito del gas naturale per produrre elettricità, come lo sviluppo suburbano di grossi quartieri dotati di sistemi di cogenerazione. La fonte energetica sfruttabile per la produzione dell’idrogeno potrebbe essere nucleare; gli aerogeneratori, l’energia idroelettrica; e finalmente i combustibili fossili (poco convenienti sotto il punto di vista della prevenzione dell’effetto serra). Ad esempio grossi generatori che producano idrogeno dal carbone genererebbero grandi quantità di inquinanti, ma renderebbero centralizzate le emissioni, dunque i sistemi di controllo delle emissioni (come la reiniezione della CO2 prodotta nei pozzi di petrolio o il recupero per formare gesso[non chiaro] e/o pietra calcarea) sarebbero più facili da ispezionare e forse sarebbero meglio mantenuti rispetti ai sistemi montati sulle automobili (basati sulla marmitta catalitica al platino) gestiti da singoli individui. Comunque vi sono alcuni “punti cruciali” tecnologici che ostacolano lo sviluppo dell’economia ad idrogeno, che riguardano:

  • il problema del ciclo di produzione e utilizzazione dell’idrogeno noto anche come problema della convenienza termodinamica
  • il problema dell’immagazzinamento o stoccaggio
  • il problema del trasporto

Produzione di idrogeno

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Produzione di idrogeno.

L’idrogeno puro non è disponibile nel nostro pianeta. La maggior parte dell’idrogeno “conveniente” può essere estratto da altre sostanze con procedure chimiche ed elettrolitiche, oppure può essere prodotto da altri combustibili utilizzando sostanze ad elevato contenuto energetico, come i combustibili fossili (reforming del metano e carbone), ma questi metodi, oltre ad esaurire risorse non rinnovabili, generano CO2 in quantità maggiori rispetto ai motori convenzionali, aggravando l’effetto serra rispetto al loro utilizzo diretto negli autoveicoli. Inoltre i processi di produzione garantirebbero un guadagno energetico dubbio dal punto termodinamico, o al più ancora da valutare attentamente, anzi in molti casi produrrebbero una perdita di efficienza che nel caso migliore è di circa il’20%, per via dell’irreversibilità dei processi fisico-chimici di trasformazione dell’energia.

L’idrogeno può essere prodotto anche con l’elettrolisi dell’acqua utilizzando grandi quantità di energia elettrica.

Tale tecnologia, sebbene concettualmente molto semplice, viene applicata solo per utilizzi estremamente settoriali.

Produzione in Italia: Mantova

Il maggiore produttore di “idrogeno merchant” (destinato alla vendita ad altre industrie, enti o privati), non destinato all’immediata produzione di ammoniaca oppure alla raffinazione del petrolio è il Gruppo Sapio, in particolare nella sua raffineria di Mantova, dove si producono 450.000 metri cubi di H{\displaystyle _{2}}_{{2}} al giorno.

Il futuro a breve termine

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Produzione di idrogeno § Elettrolisi ad alta temperatura.

Il potenziale per un grande mercato e l’acuto incremento dei prezzi del petrolio hanno incoraggiato l’interesse per mezzi alternativi e più economici per produrre idrogeno. Tra questi il governo USA finanzia lo studio per l’elettrolisi termochimica ad alta temperatura dell’acqua. Alcuni prototipi di reattori come il PBMR oppure il VHTR operano a temperature tra i 850 ed i 1000 gradi Celsius, molto più caldi degli impianti civili esistenti. L’elettrolisi dell’acqua a quelle temperature converte meglio il calore iniziale in energia chimica sotto forma d’idrogeno, migliorando l’efficienza. Il processo funziona in laboratorio, ma non è stato mai testato su scala commerciale[18][19].

Produzione di idrogeno dall’acqua con calore a “bassa qualità”

Esistono vari processi per produrre idrogeno dall’acqua utilizzando calore a “bassa temperatura” (ossia calore tra i 60 °C e i 200 °C che non potrebbe essere utilizzato per produrre elettricità con efficienze superiori al 3-10% (per ragioni di termodinamica). Le fonti di questo calore possono essere la combustione della spazzatura differenziata, ad esempio (carta e polietilene, oppure in un’automobile, riscaldando con la marmitta catalitica un contenitore con la soluzione.

  • Uno di questi prevede di aggiungere il catalizzatore nichel (come polvere nanometrica) e il chelante EDTA ad una soluzione acquosa e acida riscaldata tra i 75-150 °C.[20]

Immagazzinamento dell’idrogeno

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Immagazzinamento dell’idrogeno.

L’idrogeno ha anche una bassa densità (pari a 0,0708 g/cm³ a −253 °C). Questo significa che è necessario un serbatoio abbastanza capiente per immagazzinarlo, anche impiegando energia addizionale per comprimerlo, cosa che comporta problemi di sicurezza per l’alta pressione del gas. Nei prototipi di automobili ad idrogeno vengono usate pressioni dell’ordine degli 80 MPa; per confronto si consideri che nelle automobili a metano sono usati circa 20 MPa. Il grosso e pesante serbatoio ridurrebbe l’efficienza del veicolo per via del maggiore peso da trasportare. Dal momento che è una molecola piccola ed energetica, l’idrogeno diatomico tende a diffondere attraverso ogni materiale di rivestimento che venga utilizzato per il suo contenimento, portando all’imbibizione di idrogeno dello stesso materiale, oppure indebolendo il suo contenitore. Questo viene chiamato il problema dell’immagazzinamento o stoccaggio.

Altri proponenti si immaginano fonti di idrogeno locali in ambito rurale, anche se gli ostacoli che si frappongono ad eventuali grossi generatori di idrogeno ad alta efficienza in mezzo alla campagna sono meno gravi rispetto a quelli che si presenterebbero in ambito urbano.

Trasporto dell’idrogeno

Non sembra che l’idrogeno sia il mezzo più economico per il trasporto di energia su lunghe distanze nel futuro prossimo. I progressi nella tecnologia dell’elettrolisi e delle pile a combustibile non hanno affrontato i costi sottolineati.

Nel 2005, il metodo più economico per muovere l’energia attorno al mondo era quello di trasportare “pellets” di uranio per ferrovia. Il seguente metodo più economico (ed il più usato) è come grezzo in oleodotto o nelle navi supertanker, oppure come carbone spedito per ferrovia o nave da carico.[senza fonte]

Condotte di gas naturale

Le condotte di gas naturale e le navi con serbatoi di gas naturale liquefatto sono molto più costose e richiedono un mercato stabile con estese tubazioni di gas ed ampia presenza di elettrodomestici che impieghino il GNL (come scaldabagni e cucine). Per questo il gas naturale estratto dal North Slope, in Alaska viene reimmesso nel suolo piuttosto che inviato verso l’Oregon, ed è questa la ragione per la quale il GNL dalla costa nordovest dell’Australia viene inviato via nave in Giappone e Cina.

Linee elettriche

Le linee elettriche muovono l’energia a costi anche maggiori rispetto a quelli dei gasdotti di gas naturale; per questo, di solito le centrali elettriche si trovano a circa 160 km dalle utenze che servono. Le linee di lunga distanza vengono impiegate per bilanciare gli squilibri tra i vari punti dove l’energia elettrica viene prodotta e consumata ad una certa ora, muovendo una piccola porzione del totale generato. Ad esempio la California brucia circa 30 gigawatt di elettricità, ed ha un collo di bottiglia nella trasmissione nord-sud (la “500 kV Path 15”) pari a 5,4 gigawatt.

Condotte dell’idrogeno ad alta pressione

Le condotte dell’idrogeno sono anche più costose[21] rispetto alle linee elettriche a lunga distanza. L’idrogeno a temperatura ambiente ha un volume tre volte maggiore rispetto al gas naturale a parità di energia trasportata, inoltre lo H2 accelera la comparsa di crepe nell’acciaio (imbibimento da idrogeno), che aumenterebbe i costi di manutenzione, le perdite, ed i costi materiali. Sembra che la differenza nei costi sia destinata ad aumentare con le nuove tecnologie: i cavi sospesi in aria possono impiegare tensioni maggiori con costi marginalmente superiori, ma le tubature ad alta pressione richiedono in proporzione più materiale. Questo è noto come problema del trasporto dell’idrogeno.

Condotte miste idrogeno criogenico e ceramiche superconduttive

Nel 2006 sono state proposte condotte miste interrate in profondità, con un nucleo contenente idrogeno in pressione (liquefatto alla temperatura dell’azoto liquido), che dovrebbe circolare all’interno di una tubazione o di lunghe strisce avvolgenti in ceramica superconduttiva dell’elettricità (corrente continua), a sua volta foderate da plastiche isolanti e da una protezione esterna estremamente resistente (tubi in acciaio o kevlar). Le stime di portata energetica per ogni paio di condotte (una positiva a +50.000 volt e l’altra negativa a -50.000 volt) sono di 5 Gigawatt elettrici e di 10 Gigawatt sotto forma di idrogeno liquefatto (per combinazione di alta pressione e temperature dell’azoto liquido).[22]

Campi di impiego dell’idrogeno

Utilizzo dell’idrogeno

Esistono due utilizzi principali per l’idrogeno:

  • circa la metà viene utilizzato (combinandolo con l’azoto, componente dell’80% dell’atmosfera) per produrre ammoniaca (NH3) tramite il processo Haber[23], che può essere primariamente usato direttamente o indirettamente come fertilizzante in agricoltura.
  • l’altra metà dell’idrogeno prodotto viene usata per convertire le fonti pesanti di petrolio in frazioni più leggere ed adatte per essere impiegate come carburante (questo processo è noto come hydrocracking).

Alimentazione di reazioni chimiche

L’idrogeno viene utilizzato in molte reazioni chimiche – come il processo Haber e l’hydrocracking – come descritto nella sezione precedente “utilizzo dell’idrogeno“.

Motori a combustione interna

L’idrogeno può essere utilizzato a fini energetici nei motori a combustione interna, opportunamente progettati, con l’efficienza tipica di tali motori (media del 30%), buona potenza ed il vantaggio di una tecnologia già matura e dai costi relativamente non elevati.

Pila a combustibile

Principio di funzionamento di una fuel cell.

La pila a combustibile (o fuel cell) è un dispositivo in grado di utilizzare idrogeno producendo energia elettrica con una buona efficienza, ma con prototipi ancora costosi ed ingombranti. La realizzazione di una fuel cell richiede infatti metalli della serie chimica del platino (estremamente costoso) mentre gli altri materiali provati hanno dimostrato una vita utile troppo breve. Dal momento che la diffusione dell’utilizzo dell’idrogeno come una fonte portatile di energia ha senso soltanto se impiegato in pile a combustibile (la semplice combustione con l’ossigeno atmosferico in motori a combustione interna produce inquinanti come i NOx, rumore, ed ha una minor resa energetica in termini di efficienza), le persone che auspicano una economia all’idrogeno sperano che i progressi nelle nanotecnologie e nella produzione in serie ridurranno questi problemi in modo da rendere queste pile efficaci in rapporto al loro costo.

Fonte energetica

L’altra premessa a questo tipo di economia è che le celle a combustibile sostituiscano i motori a combustione interna e le turbine come mezzi primari per trasformare l’energia chimica in movimento e potenza elettrica. La ragione per aspettarsi questo cambiamento è che le celle elettrochimiche sembrano essere più efficienti rispetto ai motori (che disperdono molta energia sotto forma di calore ed attrito). Le celle a combustibile all’inizio del ventunesimo secolo sono molto costose, ma si lavora costantemente per renderle più economiche.

Le pile a combustibile sono sistemi redox (si avvalgono di reazioni chimiche di ossido-riduzione, isolando il flusso di elettroni, e convogliandolo verso motori o altri impieghi), e quindi possono impiegare anche idrocarburi oltre all’idrogeno puro. Se i costi delle celle divenissero competitivi rispetto ai motori diesel e alle turbine, tra i primi utilizzatori ci sarebbero le centrali elettriche alimentate a gas naturale (che sono poco inquinanti). Le centrali elettriche a gas naturale vengono costruite in gran numero da industrie molto competitive, i loro proprietari possono lavorare con alcune restrizioni operative (come tolleranze non ampie di variazioni di temperatura, basso tasso di salita della fornitura di potenza, ecc.), per loro il problema del rapporto potenza/peso non si pone e anche piccoli guadagni nell’efficienza energetica rappresentano per loro guadagni consistenti. Se la trasformazione del gas naturale in idrogeno per l’impiego nelle “pile a combustibile” si rivelasse economicamente più vantaggioso che bruciare il gas naturale, gli impianti di potenza elettrica a gas lo farebbero progressivamente ma non si sa se vi sia alcuna discussione concreta su centrali elettriche a celle a combustibile.

L’interesse collettivo verso l’idrogeno è motivato anche dall’idea di potere utilizzare le celle a combustibile nelle auto. Queste possono avere un ottimo rapporto peso/potenza (ma ad esso si aggiungerebbe anche il peso dei motori elettrici), sono più efficienti (ignorando i consumi del processo produttivo) rispetto ai motori a combustione interna, e non producono emissioni dannose. Se potessero essere fabbricate economicamente, le fuel cells, sarebbero economicamente convenienti in una macchina ibrida avanzata (ovvero che combina l’energia elettrica prodotta da celle a.c. e quella erogata da batterie a sua volta da ricaricare direttamente o con l’energia solare di pannelli di un parcheggio, o con l’energia elettrica domestica da fonte eolica o da cogenerazione oppure direttamente con la corrente di casa).

Metano come fonte e veicolo dell’idrogeno

Vano motore del prototipo Toyota Fuel-Cell

Se il metano (o meglio il gas naturale) dovesse diventare la principale fonte d’idrogeno, sarebbe più sensato stoccarlo e trasportarlo con serbatoi d’auto speciali, a metano compresso e far funzionare una serie di “reformers” e di pile a combustibile direttamente dal metano. Il sistema risultante impiega l’energia del metano più efficientemente, produce meno CO2 totale, e richiede meno nuove infrastrutture. Un ulteriore vantaggio è che il metano è molto più facile da trasportare e manipolare rispetto all’idrogeno. Il metano impiegato nelle “fuel cells” non deve però presentare tracce di metantiolo o etantiolo, le sostanze maleodoranti che vengono iniettate nella distribuzione di gas per aiutare gli utenti a scoprire subito eventuali le perdite, quindi con gli inevitabili rischi connessi al caso di perdite non avvertibili. I solfuri responsabili dell’odore infatti provocano l’avvelenamento (o disattivazione) del catalizzatore nella membrana della pila a combustibile. Inoltre dal momento che la tecnologia per far funzionare i motori a combustione interna direttamente dal metano è ben sviluppata, poco inquinante, ed allunga la vita del motore, è più probabile che il gas naturale compresso (GNC) venga usato per il trasporto in questo modo piuttosto che in celle a combustibile, almeno nel prossimo futuro.

Autotrasporto

Il bilancio energetico dell’idrogeno applicato all’autotrazione, anche con la miglior tecnologia ovvero le celle a combustibile, lo rende però ancora svantaggioso rispetto ad altre tecnologie energetiche già esistenti.

Con le tecnologie attuali la generazione più efficiente dell’idrogeno mediante reforming ha infatti una efficienza del 75 – 80 %. Altra energia viene persa per comprimerlo e trasportarlo. In totale l’energia spesa per kg di idrogeno è pari a circa 50 MJ. Dato che l’energia di un kg di idrogeno è di circa 141 MJ ne consegue che l’efficienza totale arriva al 60%[24]. Il sistema di produzione e distribuzione più efficiente dell’energia sembra essere invece quello elettrico, che può arrivare al 95% di efficienza. I veicoli totalmente elettrici possono essere 3 – 4 volte più efficienti di un veicolo ad idrogeno[25].La bassa efficienza della generazione di idrogeno molecolare per elettrolisi (60-80%), aggiunta alla media efficienza della pila a combustibile (40-50%) rende l’auto elettrica più conveniente, quando si vuole trasformare l’elettricità della rete in energia cinetica per veicoli su strada, piuttosto che passare per l’intermediario idrogeno.

Valutazione e fattibilità dell’economia ad idrogeno

Benefici che comporterebbe lo sviluppo dell’economia all’idrogeno

  • sostituzione delle fonti energetiche non rinnovabili quali i combustibili fossili dunque soluzione al problema energetico mondiale. Alcuni governi, fabbricanti di auto, la comunità scientifica ed alcune industrie l’hanno riconosciuta come possibile sostituto all’economia a carburanti fossili.
  • quando l’EAI (Economia All’Idrogeno) nasce come derivato da fonti rinnovabili di energia come l’idroelettrico, l’eolico, il solare, o la fusione nucleare, si ottiene un sistema di distribuzione energetico quasi totalmente pulito ed ecocompatibile ovvero totalmente privo del gas serra CO2, anche se il vapor d’acqua prodotto è un moderato gas-serra e gli NOx sono inquinanti ed irritanti locali e globali nonché componenti della pioggia acida.
  • da molti viene considerata la sola alternativa tecnicamente possibile ed economicamente conveniente.
  • l’economia ad idrogeno include una serie di economie di scala e di progressiva “scalabilità” delle dimensioni degli impianti ad un livello impossibile con le altre proposte, dal momento che la sua effettiva produzione è proporzionale all’investimento necessario ed alla quantità di energia che davvero serve produrre.

Conditio sine qua non per l’economia ad idrogeno

Per quanto detto precedentemente la futuribile economia dell’idrogeno sarebbe condizionata dal requisito di partenza della produzione dell’idrogeno in maniera termodinamicamente conveniente ovvero un guadagno netto di energia nel suo ciclo di produzione-utilizzazione ed allo stesso tempo anche non più inquinante dell’attuale economia a combustibili fossili. Tutto condurrebbe quindi a utilizzare fonti non-fossili ovvero energie alternative come ad esempio le energie rinnovabili, l’energia nucleare), che impiegherebbe alcuni metodi (principalmente l’elettrolisi), anche se dubbi e perplessità rimangono sulla condizione di convenienza termodinamica.

L’unico sistema di produzione di idrogeno economicamente sostenibile però è il reforming di materie prime fossili.

Ostacoli e nodi cruciali per lo sviluppo dell’economia ad idrogeno

L’economia ad idrogeno ha molti ostacoli o punti cruciali abbastanza importanti da sormontare, anche se viene ampiamente vista come il modello più viabile di sostituzione della economia a combustibili fossili:

  • la convenienza termodinamica nella sua produzione ovvero che ci sia un guadagno netto di energia nel produrre e utilizzare idrogeno a partire da altre fonti di energia quali energia elettrica e combustibili fossili. La cosa è fortemente discutibile e oggetto di dibattito.
  • la convenienza economica ovvero il fatto che l’insieme delle tecnologie e infrastrutture che si appoggino sull’idrogeno siano complessivamente meno costose di quelle convenzionali che utilizzano i combustibili fossili. Il suo utilizzo richiederà infatti molte trasformazioni all’industria ed ai trasporti su una vastissima scala. Comunque, incentivi economici, il previsto incremento dei prezzi del petrolio per l’inevitabile aumento dei suoi costi di produzione, alternative carenti e l’offerta di migliori tecnologie sono viste come un mezzo per rendere la transizione economicamente valida in futuro.
  • l’emergere di soluzioni alternative come i biocarburanti (etanolo, biodiesel, biometano) che richiedono minori costi di cambiamento all’economia e più vicine al loro sviluppo. Queste risorse hanno comunque alcuni aspetti negativi come una bassa erogazione di energia finale in rapporto all’energia investita (EROEI basso), la sottrazione di terre da coltivare all’agricoltura da alimentazione e costi simili di produzione, nonché un discreto consumo di combustibili fossili per trattori, fertilizzanti, ecc.
  • l’uso di combustibili fossili alternativi come gas naturale, metano e GPL per contrastare la continua diminuzione delle forniture di petrolio. Anche se l’aumento della richiesta di queste “fonti alternative” decreta il loro lento ma inevitabile esaurimento, la maggioranza dei paesi che le producono fanno capo all’OPEC ed una situazione di picco limite simile a quella del petrolio è del tutto prevedibile in futuro.
  • l’impiego diretto dell’energia solare e relativi accumulatori a batteria sono visti come le alternative all’idrogeno più praticabili in virtù anche di uno stadio di sviluppo tecnico simile. I pannelli fotovoltaici hanno però una bassa densità di potenza in base all’area che occupano, rendendo complicato il loro uso nei trasporti rispetto ad altre alternative[26]. D’altra parte le batterie sono state utilizzate in automobili ibride ed in prototipi completamente a batteria. Forse una combinazione tra energia fornita da batterie e quella fornita da idrogeno potrebbe essere usata nell’economia del futuro.

Problemi ambientali

Correntemente circa il 48% dell’idrogeno gassoso viene creato grazie al reforming del gas naturale tramite il metodo della reazione di spiazzamento dell’acqua (natural gas/water gas shift), che è stato spiegato in precedenza. Questo processo crea come sottoprodotto l’anidride carbonica (CO2), un gas serra. Questa viene abitualmente liberata nell’atmosfera, anche se sono state effettuate ricerche per la sua iniezione in giacimenti di idrocarburi depletati o acquiferi salini. È stato proposto lo stoccaggio dell’anidride carbonica negli abissi marini. Anche la produzione di vapore acqueo dall’ossidazione dell’idrogeno a rigore non sarebbe pienamente ecocompatibile perché è anch’esso un potente gas serra (più potente della Co2) sia pure con un tempo di residenza in atmosfera di soli 8 giorni.

Sono stati posti alcuni interrogativi su problemi relativi a fuoriuscite accidentali di idrogeno[27]. L’idrogeno molecolare tende a fuoriuscire lentamente da ogni tipo di suo mezzo di contenimento. È stato ipotizzato che quantità significative d’idrogeno gassoso (H2) possano fuoriuscire dai serbatoi di idrogeno. In tal caso, anche per l’azione della radiazione ultravioletta, si potrebbero formare radicali liberi (H+) e (H.) nella stratosfera. Questi radicali liberi potrebbero in seguito agire come catalizzatori del danno alla fascia dell’ozono. Un aumento sufficientemente grande della quantità di idrogeno stratosferico da perdite di H2 potrebbe esacerbare il cosiddetto “buco nell’ozono“. Comunque, gli effetti di questo processo potrebbero non essere significativi; la quantità di idrogeno che si perde è molto minore (di 10-100 volte) rispetto alla stima del 10%-20% posta come ipotesi da alcuni ricercatori. In Germania, ad esempio, il tasso di perdita è dello 0,1% (minore a quello del gas naturale, che è del 0,7%). Si calcola che al massimo, le perdite ammonterebbero al 1-2% dell’idrogeno contenuto nei serbatoi, anche con un uso ampio, da parte di privati non particolarmente sensibilizzati, utilizzando le odierne tecnologie. Inoltre stime attuali indicano che ci vorranno almeno 50 anni per instaurare un’economia ad idrogeno matura, e che le nuove tecnologie sviluppate nei prossimi anni potrebbero ridurre ulteriormente il tasso di perdita da serbatoi e condotte.

Le leggi fisiche correlate alla conservazione dell’energia creano una situazione dove in primo luogo l’energia impiegata per creare, comprimere e refrigerare il carburante può ridurre l’efficienza energetica finale del sistema a livelli inferiori rispetto a quelli dei sistemi di raffinazione del petrolio avanzati e dei motori a combustione interna più efficienti (come i sistemi diesel accoppiati al motore elettrico ed al recupero dell’energia tramite bobine durante la frenata); questo è particolarmente vero se l’idrogeno deve essere compresso ad alte pressioni oppure liquefatto a temperature inferiori a quelle dell’azoto liquido, come servirebbe per le applicazioni automobilistiche (in partenza l’elettrolisi dell’acqua è di per sé un processo inefficiente, che di solito richiede almeno il doppio dell’elettricità rispetto all’energia immagazzinata nell’idrogeno). Comunque, presi fuori dal sistema globale, anche i motori a combustione interna più efficienti non sono molto efficienti in termini assoluti; inoltre, la benzina proviene da una fonte primaria non rinnovabile ed in via di esaurimento, e con le relative peculiari inefficienze energetiche, dal momento che il petrolio crudo deve essere trasformato in una raffineria per ottenere sia la benzina, che il cherosene, oppure il gasolio.

Come alternativa alla generazione per via elettrolitica, l’idrogeno può essere ottenuto dal metano (componente principale del gas naturale, procedura con un’efficienza energetica di circa l’80%), oppure da altri idrocarburi con un diverso grado di efficienza. Il metodo di conversione a idrocarburi dà luogo a gas serra, ma, dal momento che la loro produzione si concentra in un unico luogo, e non viene quindi dispersa da milioni di veicoli, si ipotizza che si possano separare i gas e che sia possibile eliminarli in modo appropriato, ad esempio iniettandoli tramite il pozzo estrattivo in depositi geologici di petrolio oppure gas. Una stazione di pompaggio e re-iniezione sotterranea della CO2 viene sperimentata dalla compagnia norvegese Statoil nel mar del Nord, nel campo di Sleipner.[28]

Altri tipi di celle a combustibile non devono affrontare questi problemi.

Problemi irrisolvibili

Il modo più comune per immagazzinare l’idrogeno (ed in effetti l’unico modo di farlo efficientemente) è quello di comprimerlo a circa 70 MPa di pressione (~10,000 PSI). Molti pensano che l’energia necessaria per comprimere il gas sia uno dei problemi nodali irrisolvibili nell’idea di costituire un’economia basata sull’idrogeno. Per esempio, se tutto il mondo impiegasse l’idrogeno molecolare (H2) nelle automobili, un quantitativo massiccio di energia sarebbe richiesto per comprimerlo ed immagazzinarlo, solo parzialmente recuperabile, per esempio tramite “microturbine ad espansione di gas” per la produzione di energia elettrica da impiegare a bordo dell’auto.

Si ritiene che questo tipo di celle a combustibile saranno sempre molto costose, per via dei metalli di cui abbisognano, di solito circa 100 volte tanto per kW di potenza di trazione fornita rispetto ai motori a combustione interna convenzionali. Inoltre è stato prospettato che le automobili alimentate da batterie al litio-ione oppure litio-polimero (come quelle dei telefoni cellulari) siano dei trasportatori energetici più efficienti rispetto a quanto le automobili all’idrogeno potranno mai diventare, e che per le batterie Li-ion manchi soltanto il loro passaggio alla produzione industriale di massa per renderle competitive nei costi.

Esistono altre perplessità riguardo al processo di produzione dell’idrogeno, un processo che può richiedere una fonte d’idrogeno come l’acqua o il combustibile fossile. Il secondo consuma idrocarburi e produce CO2, mentre l’elettrolisi dell’acqua richiede molta elettricità, che nel mondo (indubbiamente oggi, ma forse non in futuro) viene per lo più generata con combustibili fossili come il gas naturale o l’olio combustibile oppure con l’energia nucleare.

Delle varie forme di energia rinnovabile, l’energia idroelettrica è la più diffusa ed a buon mercato. L’energia eolica sta lentamente diffondendosi e diventando competitiva (specie nel nord dell’Europa). L’energia solare pur così abbondante ma bisognosa di aree estese (i deserti), ha dei problemi di costo delle celle al silicio amorfo, di durata per le celle polimeriche, e di mancanza di economie di scala per quanto riguarda la produzione e distribuzione. Dunque, le energie alternative sono da marginalmente più costose a molto più costose rispetto ai combustibili fossili ed al nucleare. In questo, l’attuale tecnologia del combustibile ad idrogeno non può dirsi del tutto indipendente dal gas naturale, a meno che si consideri la possibilità di produrla in modo totalmente nucleare, con la conversione diretta (a circa 1000 °C) dell’acqua nei reattori VHTR.

Convenienza economica e convenienza termodinamica

Fermo restando le difficoltà tecniche non ancora superate nelle tecnologie ad idrogeno sopra riportate, una riflessione di merito va fatta sul rapporto tra convenienza economica dell’intera economia ad idrogeno e convenienza termodinamica del processo di produzione-utilizzazione dell’idrogeno. La convenienza economica dell’economia ad idrogeno dipende dalla convenienza termodinamica, dalla convenienza cinetica delle reazioni di sintesi dell’idrogeno, ma anche da altri fattori quali il costo delle apparecchiature, il costo dei reagenti e il prezzo a cui vengono venduti i prodotti, per cui alla fine un processo di trasformazione complesso come quello richiesto dall’economia ad idrogeno a partire dall’economia a combustibili fossili sulla carta si può rivelare economicamente non conveniente anche se conveniente dal punto di vista termodinamico oppure viceversa economicamente conveniente anche se non conveniente dal punto di vista termodinamico. Pur tuttavia sembra sensato attribuire una priorità alla convenienza termodinamica rispetto a quella economica se l’idrogeno dovesse essere prodotto da fonti fossili non rinnovabili destinate quindi ad esaurirsi ancora più velocemente nel caso di inefficienza termodinamica nel processo di produzione/utilizzazione dell’idrogeno. Se invece l’idrogeno fosse prodotto direttamente da fonti rinnovabili, pur con una perdita di efficienza rispetto alla fonte primaria di energia, l’eventuale convenienza economica complessiva, comunque tutta da valutare, giocherebbe forse un ruolo non secondario nella scelta definitiva su quale modello di economia appoggiarsi.

Note

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  26. ^ I veicoli sperimentali ad energia solare sono quasi piatti, ricoperti di pannelli e costruiti in materiali leggeri
  27. ^ questo è stato segnalato in un lavoro pubblicato sulla rivista statunitense “Le Scienze” da un gruppo di scienziati del California Institute of Technology
  28. ^ statoil.com. URL consultato il 30 aprile 2006 (archiviato l’11 marzo 2006).
  29. ^ alcuni esempi sono l’Islanda, dove si sta costruendo un’enorme diga capace di alimentare milioni di utenze, e la Patagonia, una vastissima area con venti forti e costanti
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Bibliografia

Voci correlate

Impiego per il settore automobilistico

Produzione e consumo di idrogeno

Altre economie

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