Produzione dell'idrogeno verde sostenibile

Tra i vari metodi di produzione dell'idrogeno, quello dell'idrogeno verde rappresenta lo standard sostenibile. La produzione di idrogeno verde è alimentata interamente da fonti energetiche rinnovabili - ad es. energia solare, eolica e idroelettrica - e ciò fa di questo idrogeno un combustibile a zero emissioni di carbonio, dalla produzione alla combustione. È questo ciò che lo distingue dagli altri tipi di idrogeno, tra cui l'idrogeno grigio, che invece derivano da combustibili fossili.

Alla base della produzione di idrogeno verde c'è l'elettrolisi che utilizza l'elettricità per scindere le molecole d'acqua nei loro componenti fondamentali, idrogeno e ossigeno. Tuttavia, i vincoli di capacità, efficienza e costi rappresentano un ostacolo al rapido aumento della produzione.

L'elettrolisi è un processo costituito da reazioni elettrochimiche e meccanismi di trasporto ionico che avvengono all'interno di un elettrolizzatore. Gli elettrolizzatori sono dotati di due elettrodi - un anodo e un catodo - separati da un elettrolita. Questo elettrolita, una soluzione liquida (per l'elettrolisi alcalina) o una membrana allo stato solido (per l'elettrolisi PEM), facilita il passaggio degli ioni limitando il flusso di elettroni e deve essere scelto con cura in base a fattori quali conducibilità ionica, stabilità chimica e compatibilità con i materiali degli elettrodi.

Quando all'acqua liquida che si trova all'interno dell'elettrolizzatore viene applicata corrente continua, tra anodo e catodo si crea una differenza di potenziale elettrico. All'anodo, associato a un potenziale positivo, le molecole d'acqua (H₂O) subiscono una reazione di ossidazione che porta a una perdita di elettroni. Ciò provoca la formazione di ossigeno gassoso (O₂) e di ioni idrogeno caricati positivamente (protoni, H+), oltre che il rilascio di elettroni nel circuito esterno, come rappresentato negli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM) dalla seguente formula:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Attraverso l'elettrolita, i protoni H+ migrano verso il catodo caricato negativamente, spinti dal gradiente di potenziale. Il catodo innesca una reazione di riduzione in cui i protoni richiamano facilmente gli elettroni dal circuito esterno per neutralizzare la loro carica e formare idrogeno biatomico (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

La reazione elettrolitica complessiva, costituita da ossidazione anodica e riduzione catodica, è rappresentata dalla seguente formula:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

L’efficienza di questo processo ha importanti ripercussioni sulla fattibilità economica della produzione di idrogeno verde. E sono diversi i fattori che ne determinano l'efficienza, tra cui i seguenti:

• Temperatura di esercizio, pressione e purezza dell'acqua all'interno del sistema, tutti valori che devono essere accuratamente misurati
• Sovratensione necessaria a guidare le reazioni alla velocità desiderata 
• Perdite ohmiche dovute alla resistenza al trasporto ionico all'interno dell'elettrolita 
• Limitazioni del trasporto di massa che regolano la disponibilità dei reagenti sulle superfici degli elettrodi 

L'ottimizzazione di queste variabili richiede un'attenta selezione dei materiali e dell'architettura degli elettrodi, oltre che la misura e il controllo di tutti i parametri rilevanti. Tra i vari tipi attualmente disponibili, gli elettrolizzatori PEM e quelli alcalini sono i sistemi tecnologicamente più maturi e comunemente utilizzati.

Gli elettrolizzatori PEM, caratterizzati dall'uso di una membrana polimerica solida come elettrolita, offrono diversi vantaggi rispetto alle tecnologie che utilizzano un elettrolita liquido, tra cui una maggiore efficienza energetica, tempi di risposta più rapidi alle fluttuazioni dell'alimentazione e un design compatto. Questi attributi rendono gli elettrolizzatori PEM particolarmente adatti all'integrazione con fonti di energia rinnovabile intermittenti come l'energia solare ed eolica, la cui potenza in uscita può variare notevolmente. In genere, sono anche la scelta di elezione di laboratori e altri processi in cui la purezza finale è molto importante.

Gli elettrolizzatori alcalini con elettrolita liquido non sono altrettanto efficienti ma costano meno, hanno un ciclo di vita più lungo e si adattano ad acqua di purezza inferiore rispetto alle versioni PEM. Queste caratteristiche li rendono interessanti negli impianti di produzione di idrogeno verde più grandi, dove costi e quantità sono i principali requisiti. 

Altre tecnologie in fase di sviluppo includono l'elettrolisi ad alta temperatura o a ossido solido e la membrana a scambio anionico. A seconda dell'applicazione, ognuna di queste ha i propri vantaggi nei sistemi di produzione dell’idrogeno.

Nonostante la sua attrattiva come combustibile sostenibile lungo tutta la catena del valore, la produzione di idrogeno verde presenta diversi ostacoli da superare.

Prima di tutto, la produzione tramite elettrolisi - in particolare con elettrolizzatori PEM - è più costosa della produzione di idrogeno grigio e blu tramite reforming del metano con vapore o reforming autotermico. Inoltre, considerato che l'idrogeno ha una densità energetica inferiore rispetto al gas naturale e ad altri combustibili fossili, i costi per alimentare i processi con idrogeno superano, per unità di energia, quelli necessari ad alimentare i processi con combustibili fossili.

L'efficienza dell'elettrolizzatore in corrispondenza delle pile di celle è elevata - quasi il 70% - e le tecnologie più recenti come le celle elettrolitiche a ossido solido (SOEC) possono assicurare un'efficienza ancora più elevata. Tuttavia, come per qualsiasi sistema, l'efficienza complessiva dell'impianto non dipende solo dalla tecnologia utilizzata ma anche dall'equilibrio dell'impianto a livello di raffreddamento, essiccazione, trattamento e compressione dell'idrogeno. Inoltre, mancano le forniture di energia rinnovabile necessarie ad aumentare in modo sostenibile l’elettrolisi e questo implica la necessità di effettuare ulteriori investimenti nelle infrastrutture.

Infine, il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno sono operazioni logisticamente complesse perché richiedono infrastrutture specifiche - quali condotte e serbatoi di stoccaggio - sviluppate specificamente per gestire questo composto altamente infiammabile. L’infrastruttura attuale è concepita principalmente per il gas naturale e purtroppo non può essere convertita facilmente a causa delle particolari proprietà dell’idrogeno. Gli atomi di idrogeno sono i più piccoli tra tutti gli elementi; di conseguenza, l'idrogeno gassoso biatomico richiede guarnizioni, valvole e tubazioni sofisticate per evitare perdite. Incastrandosi nella struttura interna di contenimento, questi atomi possono anche indebolire diversi metalli, abbassando la soglia di stress e accelerando la formazione di crepe nei materiali inadatti.

Per affrontare queste problematiche è necessaria una pianificazione strategica, il sostegno finanziario di governi e privati ​​e una continua innovazione tecnologica ma, nonostante le difficoltà economiche, l’implementazione degli elettrolizzatori sta iniziando ad accelerare. Alla fine del 2022, la capacità globale degli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno ha raggiunto quasi 11 GW e si prevede il raggiungimento di 170-365 GW entro il 2030.

Inoltre è prevedibile che, nei prossimi decenni, l'ottimizzazione degli elettrolizzatori ridurrà i costi grazie a efficienze di scala e all'aumento delle conoscenze. Ci sarà bisogno anche di più energia derivante da fonti rinnovabili e del recupero delle perdite di energia intrinseche durante il funzionamento. Tecnologie adiacenti, come le celle di combustibile alimentate a idrogeno - che in pratica sono l'inverso degli elettrolizzatori - si avvarranno dei progressi e del know-how acquisiti durante questa transizione.

A parte la produzione, anche l’infrastruttura dedicata all’idrogeno è fondamentale. La crescente fattibilità dell’idrogeno come fonte di energia alternativa è subordinata all’aumento dei meccanismi necessari a distribuire e convertire la sua energia in forme utili.

Nei prossimi 20-30 anni, la domanda globale di idrogeno dovrebbe crescere, spinta dalla versatilità di questo elemento come vettore energetico e dal suo potenziale di riduzione delle emissioni di carbonio in settori in cui abbattere il carbonio è particolarmente difficile. Soprattutto il settore dei trasporti e quello della produzione di energia sono pronti ad adottare l’energia dell’idrogeno verde nei loro portfolio come alternativa pulita ai combustibili fossili.

Nel settore dei trasporti, le celle di combustibile alimentate a idrogeno verde offrono una soluzione promettente per il trasporto commerciale a zero emissioni di carbonio su camion, autobus e persino aerei. Ciò vale soprattutto per il trasporto a lungo raggio, dove i veicoli elettrici alimentati a batteria devono fare i conti con limitazioni di autonomia, generazione di energia e peso.

Nell'industria, l'idrogeno può sostituire i combustibili fossili nei processi ad alta intensità energetica come la produzione di acciaio, cemento e ammoniaca, riducendo l'impronta di carbonio. Anche il settore energetico dovrebbe sfruttare sempre di più l'idrogeno verde per immagazzinare l'energia proveniente dalle infrastrutture in espansione delle fonti rinnovabili, risolvendo gli inconvenienti legati all'intermittenza dell'energia solare ed eolica e i problemi di densità energetica e degradazione delle batterie.

L'idrogeno può essere addirittura introdotto e miscelato nel sistema di distribuzione del gas naturale per ridurre le emissioni di carbonio nell'atmosfera. Stufe a gas, sistemi di riscaldamento, asciugatrici e altri elettrodomestici possono bruciare una miscela di gas naturale e idrogeno in cui la percentuale di idrogeno può arrivare fino al 20%, spesso limitata soltanto dalle soglie imposte dall'infrastruttura del gas. Nelle centrali elettriche, le turbine e i motori a gas più recenti possono usare come fonte di combustibile miscele di gas naturale e idrogeno a percentuali che possono arrivare al 50% e alcune turbine più piccole possono attingere esclusivamente all'idrogeno, senza che sia miscelato al gas naturale.

Con grande coraggio, la multinazionale spagnola Iberdrola sta dimostrando la sua fiducia nell'economia dell'idrogeno con oltre 60 progetti - attualmente in fase di sviluppo a livello globale - sull'idrogeno verde. Questi progetti riguardano vari settori - produzione di fertilizzanti, sintesi di ammoniaca verde, trasporto pesante, ecc. - e sottolineano la versatilità dell'idrogeno verde come soluzione energetica pulita.

In particolare, Iberdrola sta costruendo il più grande impianto europeo per la produzione di idrogeno verde da utilizzare principalmente per produrre ammoniaca per fertilizzanti, riducendo così l'impatto ecologico di un settore ad alta intensità di carbonio. Questo importante progetto ribadisce il potenziale dell'idrogeno verde per la decarbonizzazione dei settori industriali più difficili.

Anche le iniziative governative possono svolgere un ruolo cruciale nell’accelerare l’adozione dell’idrogeno verde. L'iniziativa HyBlend del DOE (Department of Energy) apre la strada all'idrogeno verde studiando in che modo l'idrogeno possa essere miscelato in sicurezza al gas naturale e trasportato attraverso le condutture esistenti. Si concentra, in particolare, sulla compatibilità delle condotte, sulla sicurezza dei materiali e sulla riduzione dei costi, rendendo la distribuzione dell'idrogeno verde più accessibile e scalabile.

L'idrogeno verde è una pietra angolare della rivoluzione dell'energia pulita e, con lo sviluppo della tecnologia, svolgerà un ruolo sempre più importante. Tuttavia, per sfruttare tutto il suo potenziale è necessario abbattere gli attuali ostacoli legati alla produzione, allo stoccaggio, al trasporto e alle infrastrutture. Per farlo, occorrono ulteriori investimenti in ricerca e sviluppo, una collaborazione strategica tra enti pubblici e privati ​​e politiche governative di supporto.

Con lo sviluppo delle infrastrutture per energie rinnovabili e idrogeno, l’aumento dell’efficienza dell’elettrolisi e l’evoluzione delle politiche, i costi di produzione dell’idrogeno verde dovrebbero diminuire e rimuovere un altro importante ostacolo alla sua adozione diffusa. Per aprire la strada all'economia dell'idrogeno con progetti ambiziosi e soluzioni innovative, in grado di ridurre le emissioni globali di carbonio per un futuro più sostenibile, saranno necessarie aziende lungimiranti e iniziative di alto livello.