L’Idrogeno, indicato con il simbolo H, è il primo elemento chimico presente sulla tavola periodica. Con numero atomico pari a uno, che indica rispettivamente il numero di protoni presenti nel nucleo e di elettroni presenti sugli orbitali, è l’elemento con struttura atomica più semplice e quindi, nel corso degli anni, più studiato dalla meccanica quantistica.
E’ il più abbondante dell’Universo, presente in circa il 90% della massa visibile, e tra gli elementi che compongono la materia, è anche il più leggero e largamente diffuso nei legami chimici come l’acqua (H2O), i composti organici, gli organismi viventi e le rocce.
Nonostante sia l’elemento chimico più abbondante dell’universo, e molto ricco di energia, sulla terra non è presente in forma libera come molecola biatomica H2 e per produrlo è necessario un contributo energetico esterno di un’altra fonte energetica come il solare, l’eolico o i combustibili fossili. Per questo, l’idrogeno e classificato come un vettore energetico in grado di accumulare un elevato valore di energia che può essere rilasciata al bisogno.
Idrogeno, un vettore energetico
Per interi decenni i combustibili fossili sono stati considerati come fonte energetica primaria, presente in natura, in grado di soddisfare la crescente richiesta energetica mondiale.
L’elevata disponibilità in natura, e le filiere di estrazione e raffinazione rese sempre più efficienti nel corso degli anni, ha permesso ai combustibili fossili di trovare largo impiego in svariati settori come i processi industriali, il trasporto e la produzione di energia elettrica per uso industriale e residenziale; a fronte di un loro utilizzo massiccio nel corso d’interi decenni, enormi quantità di CO2 sono state immesse in atmosfera alterando, quasi irrimediabilmente, il delicato quanto fondamentale equilibrio climatico globale.
Se nel passato gli effetti dei cambiamenti climatici, indotti dall’inquinamento atmosferico, potevano erroneamente essere considerati come problemi di un futuro molto lontano; oggi bisogna necessariamente affrontare i problemi climatici con una presa di coscienza, utilizzando fonti energetiche a basso impatto ambientale considerando la de-carbonizzazione come la soluzione per salvaguardare l’equilibrio climatico.
L’Idrogeno, seppur in forma libera come molecola biatomica non è presente in natura, può essere ottenuto mediante l’utilizzo di una fonte energetica primaria che, attraverso processi fisici e chimici, permettono di ottenere le preziose molecole di H2 molto ricche di energia. Da ciò l’Idrogeno non è considerato come una fonte energetica, non essendo presente in natura sotto forma di molecola biatomica, bensì è considerato come un vettore energetico in grado di accumulare enormi quantità di energia e di rilasciarle al bisogno.
Già ampiamente utilizzato per applicazioni industriali nel campo siderurgico, petrolchimico, alimentare e con una rapida diffusione nel settore dei trasporti dove, l’utilizzo delle celle a combustibile idrogeno permettono di ottenere energia elettrica completamente green dalla reazione chimica dell’Idrogeno; con l’obiettivo di azzerare le emissioni inquinanti di CO2, in futuro l’Idrogeno potrebbe essere adottato come combustibile per il riscaldamento sia in ambienti residenziali che industriali, a fronte delle sue caratteristiche particolarmente favorevoli all’utilizzo:
- Ampiamente utilizzato nell’industria.
- Facilità di trasporto e di stoccaggio anche attraverso le pipeline per il gas naturale.
- L’idrogeno è l’unico carburante che, utilizzato sia in motori termici sia in celle a combustibile, non produce emissioni inquinanti ma semplicemente acqua come unico prodotto di reazione.
- Elevata efficienza di conversione energetica rispetto ai combustibili fossili.
- L’Idrogeno è il carburante con maggiore densità energetica, è stimato che 1 Kg d’Idrogeno contiene la stessa energia contenuta in 2,4 Kg di Metano o di 2,8 Kg di benzina.
- Per la facilità con la quale l’energia elettrica può essere convertita in Idrogeno, è il vettore energetico più efficiente oggi a disposizione per lo stoccaggio di eventuali surplus di energia elettrica prodotta.
Con il vantaggio di essere un vettore energetico a impatto climatico zero, non producendo nessuna emissione di anidride carbonica e di qualsiasi altro inquinante con effetti dannosi al clima, l’Idrogeno può assumere un ruolo fondamentale per raggiungere gli obiettivi imposti, a livello europeo, dal Green New Deal per la neutralità climatica.
Produzione dell’Idrogeno
Per la produzione dell’Idrogeno, bisogna necessariamente impiegare una fonte energetica primaria per ottenere il gas molecolare in forma libera.
Circa il 95% dell’Idrogeno impiegato, per lo più nei processi industriali, è prodotto attraverso il reforming del metano o da gassificazione del carbone. Entrambi i processi, seppur molto economici, utilizzano reazioni chimiche endotermiche per le quali il calore necessario, per attivare le reazioni stesse, è fornito attraverso la combustione di combustibili fossili; producendo quantità elevate di anidrite carbonica.
Una piccola percentuale d’Idrogeno, tuttavia in crescita rispetto al passato, è prodotta attraverso l’utilizzo sia di processi termochimici, ma anche mediante l’elettrolisi dell’acqua. Entrambi i metodi possono essere alimentati da energia elettrica prodotta attraverso l’utilizzo di una fonte energetica primaria come può essere il fotovoltaico, per la produzione di energia elettrica attraverso l’utilizzo degli impianti fotovoltaici che permettono di convertire la radiazione solare in energia elettrica, ma anche attraverso l’eolico che permette di convertire l’energia cinetica del vento in energia elettrica a basso impatto ambientale.
Steam reforming
La produzione dell’Idrogeno mediante la tecnica del reforming del gas metano, è un processo endotermico, per il quale è necessario un apporto di calore per attivare la reazione chimica tra il gas metano (CH4 ) e il vapore acqueo (H2O) a una temperatura variabile tra i 700 e i 1100 °C.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Per raggiungere temperature cosi elevate, è utilizzata l’energia chimica del metano che, opportunamente bruciato, produce il calore necessario per attivare la reazione chimica. Dalla combustione del metano, essendo un combustibile fossile, è rilasciato in atmosfera anche il monossido di carbonio (CO); per questo lo steam reforming del gas metano, seppur molto economico rispetto ad altre tecnologie, è un processo di produzione dell’idrogeno con un elevato impatto ambientale.
Gassificazione del carbone
La produzione dell’idrogeno attraverso la gassificazione del carbone è un processo basato su una reazione endotermica, per la quale è necessario un apporto di calore per attivare la reazione chimica tra il carbone e il vapore acqueo.
C + H2O → CO + H2
Nella prima fase della reazione il carbone, mediante l’apporto di una notevole quantità di calore, è trasformato in una miscela di Syngas, un gas di sintesi composto da una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2) con quantità variabili di metano (CH4) e anidrite carbonica (CO2).
Per mantenere costante l’apporto di calore, necessario alla reazione chimica, è miscelata al vapore acqueo una frazione d’ossigeno, in modo da alimentare la reazione esotermica secondo la reazione chimica:
CO + H2O → CO2 + H2
Nella seconda fase del processo produttivo, l’idrogeno prodotto dalla reazione chimica è separato dall’anidrite carbonica e opportunamente stoccato per renderlo disponibile per svariati impieghi.
Elettrolisi dell’acqua, un metodo di produzione green
L’elettrolisi è un processo elettrolitico che permette di convertire l’energia elettrica in energia chimica. Durante il processo di elettrolisi dell’acqua, l’energia elettrica fornita al sistema permette di scomporre la molecola di H2O nei suoi singoli elementi costituenti; ottenendo atomi di ossigeno (O) e molecole bi-atomiche d’idrogeno (H2).
La massa d’acqua da sottoporre al processo di elettrolisi è contenuta in un dispositivo chiamato elettrolizzatore. Al suo interno, la massa d’acqua è posta a contatto con due elettrodi; un anodo con carica elettrica positiva e un catodo con carica elettrica negativa. La corrente elettrica che attraversa la massa d’acqua contenuta nell’elettrolizzatore, per effetto della differenza di potenziale tra anodo e catodo, genera la dissociazione delle molecole di H2O in ioni idrogeno H+ e ioni idrossido OH–.
Al catodo gli ioni idrogeno H+ acquisiscono elettroni per effetto della reazione di riduzione che permette la formazione dell’idrogeno gassoso:
2 H+ + 2 e– → H2
Mentre, gli ioni idrossido OH– sull’anodo subiscono ossidazione cedendo elettroni:
4 OH– – 4 e– → 4 OH→ 2 H2O + O2
Se l’energia elettrica, fornita per il processo di elettrolisi dell’acqua, è generata con fonti di energia rinnovabili come il fotovoltaico o l’eolico; l’idrogeno prodotto può essere classificato come idrogeno verde ossia prodotto attraverso una fonte energetica primaria con basso impatto ambientale. Inoltre, qualora il processo di elettrolisi fosse svolto solo quando la produzione di energia elettrica da impianti rinnovabili supera il fabbisogno energetico cui è destinato, l’idrogeno prodotto svolge la funzione di stoccaggio chimico dell’energia elettrica prodotta in eccesso e potrebbe essere in seguito impiegato come fonte energetica primaria nei processi di produzione dell’acciaio, come combustibile per motori termici o per alimentare le celle a combustibile idrogeno necessarie per produrre energia elettrica.
I colori dell’idrogeno
In base alla tecnologia di produzione, che determinano l’impatto ambientale in termini di emissioni di gas inquinanti, l’idrogeno può essere classificato con diversi colori:
- Idrogeno Marrone:
Ottenuto dalla gassificazione del carbone; è il metodo di produzione con maggior impatto ambientale, generando la più elevata quantità di anidrite carbonica pari a 20 Kg di CO2 per ogni Kg d’idrogeno prodotto.
- Idrogeno grigio:
È ottenuto dallo steam reforming del gas naturale.
Durante il processo di produzione, sono emessi in atmosfera 9 Kg di anidrite carbonica per ogni chilogrammo d’idrogeno ottenuto.
- Idrogeno blu:
Ottenuto con lo stesso metodo di produzione dell’idrogeno grigio, ma con una parziale cattura, trasporto e stoccaggio di anidrite carbonica prodotta durante il ciclo produttivo.
Per la produzione di ogni chilogrammo d’idrogeno sono prodotti circa nove chilogrammi di anidrite carbonica che, a fronte della cattura e dello stoccaggio, ne sono emessi in atmosfera circa 5 Kg.
- Idrogeno rosa:
È ottenuto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, generata attraverso l’utilizzo di energia elettrica prodotta da centrali nucleari.
Anche se il processo di elettrolisi è privo di emissioni d’anidrite carbonica, l’idrogeno rosa ha un elevato impatto ambientale a causa delle scorie radioattive prodotte dalle centrali nucleari.
- Idrogeno verde:
Ottenuto dall’elettrolisi dell’acqua, generata dall’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili come il fotovoltaico o l’eolico.
Ha un bassissimo impatto ambientale e non genera emissioni in atmosfera di anidrite carbonica.
Dalle prime scoperte, alla sostenibilità energetica del futuro
- Nel 1520
L’astronomo e alchimista Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, chiamato Paracelso, trattando dei metalli con acidi forti, realizzava il primo esperimento per ottenere idrogeno gassoso (H2)
- Nel 1671
Il chimico britannico Robert Boyle, ripetendo l’esperimento condotto anni prima da Paracelso, si accorse che il gas era molto infiammabile; per tale motivo decise di affidargli il nome di “soluzione infiammabile di ferro”.
- Nel 1783
Il chimico francese Antoine Lavoisier, dopo aver dimostrato che dalla combustione del gas scoperto da Paracelso e Boyle, si genera acqua; decise di chiamarlo Idrogeno; dal greco Hydor Ghen ovvero generatore d’acqua.
- Nel 1800
I chimici William Nicholson e Johann Wilhelm Ritter conducono il primo esperimento d’elettrolisi per separare la molecola dell’acqua utilizzando l’energia elettrica.
- Nel 1833
Il fisico e chimico britannico pubblica le due leggi sull’elettrolisi, note come leggi di Faraday.
- Nel 1838
Il fisico gallese William Grove, inventa un dispositivo elettrochimico in grado di convertire l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica. Nasceva così il primo prototipo di cella a combustibile idrogeno.
- Nel 1860
L’inventore francese Jean-Joseph Etienne Lenoir realizzò il primo prototipo di veicolo alimentato a idrogeno.
- Nel 1866
August Wilhelm von Hoffmann inventò un apparecchio, chiamato voltametro di Hoffmann, in grado di misurare la quantità di ossigeno e idrogeno sviluppate durante il processo di elettrolisi dell’acqua.
- Nel 1885
Il chimico e fisico polacco Zygmunt Florenty Wroblewski determina la temperatura critica dell’idrogeno. Sotto i -240,15°C (33 Kelvin) l’idrogeno si presenta in forma liquida e no gassosa.
- Nel 1888
Il fisico e ingegnere russo Dmitry Lachinov sviluppa un metodo per generare l’elettrolisi in ambito industriale.
- Nel 1930
La società statunitense Standard Oil avvia i primi tre impianti per la produzione dell’idrogeno attraverso lo steam reforming del gas metano.
- Primi anni ‘50
Viene perfezionata la tecnica di stoccaggio dell’idrogeno liquido a bassa temperatura.
- Fine anni ’50 – primi anni ‘60
L’idrogeno è utilizzato come propellente liquido per i propulsori spaziali Centaur e Saturn sviluppati dalla NASA.
- Nel 1965
Nell’ambito della missione spaziale Gemini, la NASA equipaggia la capsula spaziale con una cella a combustione a idrogeno, con potenza pari a 1 KW, per produrre l’acqua destinata alle esigenze alimentari degli astronauti.
- Nel 1966
Roger Billings converte un furgone Ford Modello A, dotato di motore alimentato da combustibili fossili, in un veicolo alimentato con idrogeno.
- Nel 2007
Il gigante nipponico Honda commercializza la sua prima autovettura Honda FCX con celle a combustibile idrogeno.
- Nel 2019
La società britannica AFC Energy presenta la prima cella a combustibile idrogeno per auto elettriche.
L’Idrogeno dalla Siderurgia all’auto-motive
Il siderurgico è un comparto con un elevato impatto ambientale in termini di emissioni inquinanti; ogni anno produce circa il 9% delle emissioni inquinanti a livello mondiale. Le elevate temperature, necessarie alla fusione dei metalli da lavorare, richiedono l’utilizzo di grandi quantità di combustibili fossili come fonte energetica primaria; come conseguenza, si ottiene un forte impatto ambientale dovuto alle consistenti quantità di Carbonio rilasciata nell’atmosfera.
Il comparto siderurgico, in particolar modo le industrie per la produzione dell’Acciaio, è un settore industriale “hard to abate” nel quale, in base alle necessità dei cicli di produzione e lavorazione, è particolarmente difficile abbattere le emissioni inquinanti di gas serra.
L’Acciaio è una lega ferrosa, composta principalmente da Ferro e Carbonio, con una temperatura di fusione molto elevata compresa tra i 1400 – 1600 °C, in funzione della composizione della lega del metallo grezzo.
Per raggiungere temperature cosi elevate gli impianti di lavorazione, richiedono elevate quantità di energia elettrica, prodotta da combustibili fossili come fonte energetica primaria, per fondere il metallo grezzo; in questo modo, la produzione dell’Acciaio è uno dei maggiori responsabili di emissioni di gas serra nell’atmosfera.
L’Idrogeno, può essere utilizzato o come combustibile alternativo ai combustibili fossili per raggiungere le temperature necessarie alla fusione del metallo oppure, per la produzione di energia elettrica necessaria per alimentare il forno ad arco per la fusione.
Come risultato si ottiene una notevole diminuzione di gas inquinanti immessi nell’atmosfera; la tecnologia è già in fase di sperimentazione nello stabilimento di Dalmine per la produzione di acciaio con idrogeno verde.
Anche il comparto auto-motive, negli ultimi anni, ha sviluppato celle a combustibile idrogeno con un grado di efficienza tale da rendere i veicoli alimentati a idrogeno una possibile valida alternativa ai motori endotermici alimentati con combustibili fossili.
Anche nel campo dell’aviazione civile, l’idrogeno è un vettore energetico con enormi potenzialità. Il gigante Airbus, primo costruttore al mondo per aerei civili, ha investito nella ricerca e sviluppo di aeromobili per il trasposto di passeggeri; tanto da inaugurare, già nel 2026, i voli di prova con un A380 munito di serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno liquido.
Dai primi esperimenti condotti da Paracelso, alle più evolute e tecnologiche celle a combustibile idrogeno oggi disponibili; l’idrogeno permette di affrontare le sfide energetiche del futuro seguendo le orme e le intuizioni dei primi scienziati che ne hanno scoperto la sua preziosa esistenza.
Gianni Truini
