Come viene prodotto l'idrogeno?

L’industria continua a cercare fonti di energia sostenibili nella lotta globale al cambiamento climatico e l’idrogeno sta emergendo come un’alternativa pulita e versatile ai combustibili fossili. Tuttavia, la realizzazione del potenziale di questo combustibile dipende dallo sviluppo e dall’implementazione di metodi di produzione efficienti, convenienti e rispettosi dell’ambiente. 

Il prezzo dell’idrogeno per unità di energia generata, non competitivo rispetto a quello dei convenzionali combustibili fossili, rimane uno degli svantaggi più significativi e ne impedisce l’adozione diffusa. Di conseguenza, è necessario poter contare su crediti d'imposta e altri incentivi governativi per l'evoluzione dell'economia dell'idrogeno su larga scala, perché aiutano a compensare i costi associati alla produzione e all'utilizzo. 

Sono molti i metodi disponibili per la produzione dell'idrogeno e ognuno di questi varia in termini di fattibilità tecnica, finanziaria e ambientale. Questa pagina presenta una panoramica dei metodi di produzione più comuni, oltre che di alcuni metodi sperimentali ancora in fase di sviluppo. 

L'idrogeno offre una interessante serie di vantaggi tecnici come vettore energetico, tra cui:

• Elevato contenuto energetico per unità di massa rispetto ai combustibili convenzionali 
• Possibilità di azzerare le emissioni di carbonio nel punto di utilizzo quando consumato in una cella a combustibile 
• Assenza di degradazione energetica in caso di stoccaggio a lungo termine, un vantaggio significativo rispetto alle batterie 
• Possibilità di utilizzo in diverse applicazioni, tra cui il trasporto e lo stoccaggio di energia

Tuttavia, per un'adozione diffusa a livello industriale, permangono delle sfide legate soprattutto alle infrastrutture disponibili e ai costi.

Rispetto alla benzina senza piombo, l'idrogeno è denso di energia in termini di massa ma non in termini di volume. In termini di massa, presenta una densità energetica di circa tre volte superiore a quella della benzina, cosa che lo rende particolarmente interessante per applicazioni in cui il peso è fondamentale, come i trasporti a lungo raggio.

Tuttavia, la sua bassa densità volumetrica impone alcuni accorgimenti aggiuntivi per lo stoccaggio, spesso consistenti nella pressurizzazione per l'idrogeno gassoso o nella liquefazione tramite tecniche criogeniche. Pur aumentando la densità, questi metodi introducono nel processo una serie di complicazioni e consumano energia per modificare e mantenere l'idrogeno nel suo stato controllato, il che richiede un'infrastruttura specializzata. Inoltre, considerata la natura infiammabile dell'idrogeno e la sua propensione alle perdite dovuta alle piccole dimensioni molecolari, è necessario implementare rigorosi protocolli di sicurezza lungo tutta la catena del valore. 

L'idrogeno grigio, il tipo attualmente più comune nell'industria, si basa su due processi termochimici: il reforming con vapore del metano (SMR) e il reforming autotermico (ATR).

Entrambi i processi (SMR e ATR) iniziano con una materia prima idrocarburica, in genere gas naturale, costituito principalmente da metano (CH₄). Nel processo SMR, il metano viene preriscaldato e combinato con vapore ad alta temperatura (H₂O) in presenza di un catalizzatore all'interno di un'unità di reforming. Il processo ATR, invece, introduce all'interno dell'unità di reforming sia vapore che un volume controllato di ossigeno gassoso (O₂) che provoca la combustione. Diversamente dal processo SMR, il reforming autotermico (ATR) non necessita di calore esterno per il reforming del metano. 

In entrambi i processi, in condizioni di temperatura estreme, il catalizzatore facilita la dissociazione delle molecole di metano e acqua nell'unità di reforming, rompendo i loro legami chimici. Questo processo di cracking termico produce un flusso di gas contenente idrogeno, monossido di carbonio e tracce di anidride carbonica. I gas di carbonio vengono generalmente trattenuti da letti adsorbenti immediatamente a valle dell'unità di reforming, mentre l'idrogeno scorre attraverso la camera per essere immagazzinato e utilizzato su richiesta in seguito. 

Nelle applicazioni in cui l'anidride carbonica viene rilasciata nell'atmosfera, l'idrogeno prodotto è denominato "idrogeno grigio". Se la CO₂ viene invece sequestrata, l'idrogeno diventa "blu".

Il processo ATR è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al reforming con vapore del metano (SMR) perché non necessita di una fonte di calore esterna. Inoltre, il dosaggio controllato di ossigeno nell'unità di reforming riduce sostanzialmente le emissioni di monossido di carbonio, producendo un flusso di anidride carbonica più puro rispetto al processo SMR. Ciò lo rende ideale per la produzione di idrogeno blu. Tuttavia, il reforming autotermico (ATR) è più complesso da monitorare e controllare, soprattutto per quanto riguarda la combustione, un processo che comporta notevoli problemi di sicurezza. 

La sostenibilità ambientale dell’idrogeno blu dipende dall’efficacia e dalla scalabilità delle tecnologie CCS, ancora in fase di ricerca e sviluppo.

L'idrogeno turchese viene prodotto tramite pirolisi del metano, metodo che prevede il riscaldamento diretto a temperature estreme - superiori a 900 °C (1652 °F) - del gas naturale che poi si scompone in idrogeno gassoso e carbonio solido. Il carbonio generato come sottoprodotto in forma solida viene catturato più facilmente che in fase gassosa.

Quando il calore necessario alla pirolisi viene generato da fonti rinnovabili, come l'energia solare o geotermica, l'idrogeno turchese diventa anche più pulito. Pur essendo promettente, questo metodo di produzione è ancora nelle fasi iniziali e deve essere testato su larga scala per dimostrarne la fattibilità e garantire che il carbonio catturato possa essere immagazzinato in modo permanente.

L'idrogeno verde è considerato lo standard di riferimento in quanto a sostenibilità, perché prodotto con energia rinnovabile (solare, eolica o idroelettrica) tramite elettrolisi dell'acqua.

L'elettrolisi è un processo che scinde le molecole d'acqua (H₂O) in idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂) utilizzando l'energia elettrica. Un elettrolizzatore è costituito da due elettrodi - anodo e catodo - e da una soluzione elettrolitica conduttiva che facilita il flusso di ioni tra gli elettrodi. 

Quando la corrente continua scorre attraverso il sistema, in corrispondenza del catodo che capta gli elettroni avviene la reazione di riduzione. Ciò attrae gli anioni caricati negativamente dall'elettrolita per riempire il vuoto lasciato dagli elettroni attratti dal catodo. L'ossidazione avviene invece all'anodo, con il rilascio di elettroni e facendo sì che i cationi caricati positivamente dall'elettrolita migrino verso di esso. 

Al catodo, gli atomi di idrogeno (H+) caricati positivamente si arricchiscono di elettroni e formano idrogeno gassoso, mentre all'anodo le molecole d'acqua perdono elettroni, rilasciando ossigeno gassoso e reintegrando gli ioni idrogeno che si muovono verso il catodo. 

Il risultato netto è la separazione dell'acqua in molecole di gas idrogeno e ossigeno. Questo idrogeno verde viene immagazzinato, mentre l'ossigeno può essere rilasciato nell'atmosfera senza alcun danno. 

Quando è disponibile energia rinnovabile in eccesso, l'idrogeno verde rappresenta un modo sostenibile per raccoglierla e rifornire la rete quando necessario. A differenza dell'energia immagazzinata nelle batterie, l'energia dell'idrogeno immagazzinata non si degrada nel tempo e risulta quindi particolarmente utile per l'accumulo di energia stagionale o a lungo termine.

Tuttavia, come confermato dalle leggi della termodinamica, l'energia richiesta per alimentare l'elettrolisi per la produzione di idrogeno è maggiore dell'energia che si può ricavare dal prodotto. Recenti stime del National Renewable Energy Laboratory indicano che l'elettrolisi ha un'efficienza di circa il 70-80%, il che significa che una parte dell'energia rinnovabile in ingresso per eseguire il processo è disponibile come energia potenziale nell'idrogeno risultante.

Inoltre, l'infrastruttura legata agli elettrolizzatori è ancora agli inizi e richiede ulteriori sviluppi e miglioramenti dell'efficienza prima che il suo utilizzo possa diffondersi. 

Esistono alcuni metodi meno impiegati per produrre idrogeno, tra cui la scissione fotocatalitica dell'acqua supportata da energia nucleare e metodi biologici e biochimici.

Produzione di idrogeno supportata da energia nucleare
Anche se si tratta di un metodo ancora emergente, l’elettrolisi nucleare è una potenziale strada verso la produzione di idrogeno su larga scala e senza emissioni di carbonio - il cosiddetto "idrogeno rosa". Dato che funzionano ininterrottamente, le centrali nucleari rappresentano una fonte di energia stabile per la produzione di idrogeno e risolvono i problemi di intermittenza associati all'energia rinnovabile. Tuttavia, le preoccupazioni della collettività relative alla sicurezza nucleare, allo smaltimento dei rifiuti e al potenziale di proliferazione ne ostacolano l’adozione.

Scissione fotocatalitica dell'acqua
Sfruttando direttamente l'energia del sole, la scissione fotocatalitica dell'acqua utilizza materiali semiconduttori che assorbono la luce solare per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno, senza elettricità. Quando colpiscono un semiconduttore fotocatalizzatore, i fotoni eccitano gli elettroni che forniscono l'energia necessaria a innescare una reazione chimica, imitando la fotosintesi nelle piante.

Questo metodo è ben lungi dall'essere pronto per un'implementazione su larga scala e sono necessarie ulteriori ricerche per sviluppare materiali fotocatalitici economicamente sostenibili. Tuttavia, i primi test indicano che la sua efficienza è molto più elevata di quella dell'elettrolisi elettrica. 

Produzione di idrogeno biologica e biochimica 
Un altro metodo di produzione di nicchia per l'idrogeno è la biofotolisi che sfrutta le capacità fotosintetiche delle alghe e dei cianobatteri in natura per produrre idrogeno dai corpi idrici. Inoltre, le reazioni enzimatiche potrebbero essere in grado di catalizzare la produzione di idrogeno dalla biomassa o dall'acqua. 

Questi metodi sono oggi del tutto sperimentali ma, perché l'economia dell'idrogeno diventi una realtà efficiente e praticabile per ridurre i gas serra generati dall'industria, esplorare i limiti e le possibilità di produzione è importante. 

Per produrre e utilizzare efficacemente l’idrogeno è necessario valutare fattori finanziari, tecnici e ambientali che permettano poi di assumere le decisioni migliori. La ricerca e il perfezionamento dei possibili metodi di produzione favoriranno certamente l'uso dell'idrogeno a tutti i livelli. 

Anche se attualmente la produzione di idrogeno grigio con processi SMR o ATR è quella più diffusa, gli incentivi fiscali governativi stanno agevolando la produzione di idrogeno blu che, grazie alle tecnologie di cattura del carbonio, mitiga l'impatto ambientale. L’idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi alimentata da energia rinnovabile, rappresenta una soluzione più sostenibile ma, per diventare scalabile e redditizio, questo metodo deve ancora evolversi tecnologicamente. 

Altri metodi emergenti - come la pirolisi del metano e la scissione fotocatalitica dell'acqua - offrono alternative promettenti ma il loro studio è ancora nelle fasi iniziali e richiedono ulteriori attività di ricerca e sviluppo. Un approccio olistico che tenga in considerazione i diversi metodi di produzione, abbinato a politiche di supporto e alla continua innovazione, è fondamentale per fare in modo che l'idrogeno possa diventare la colonna portante dell'energia sostenibile.