Con l’aiuto della ricerca, arriveremo a imitare il Sole.
di
Luca Longo
26 agosto 2020
7 min di lettura
di
Luca Longo
26 agosto 2020
7 min di lettura
La contrazione delle attività industriali, dei trasporti e dei consumi durante la pandemia non ha provocato una duratura diminuzione delle emissioni: la National Oceanic and Atmosferic Administration e lo Scripps Institution of Oceanography hanno rilevato che il calo del 2020 è stato effimero, mentre nel 2021 e 2022 si registrano nuovi valori record per la concentrazione di CO2.
Per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione fissati dagli accordi di Parigi, occorre compiere una vera e propria transizione energetica. Questa richiederà il rapido sviluppo di fonti di energia rinnovabile e un altrettanto rapido abbandono dei combustibili fossili, a cominciare dal carbone. In particolare, un passaggio decisivo starebbe nella progressiva elettrificazione di macchine, motori e impianti. L’elettricità dovrà provenire però non da centrali termoelettriche che bruciano combustibili fossili –non si risolverebbe il problema– ma da fonti rinnovabili, primi fra tutti il Sole e il vento.
Purtroppo, però, non è così semplice: l’International Renewable Energy Agency stima che al 2050 più della metà dei consumi proverrà da settori che non sarà possibile elettrificare.
È ancora irrisolto inoltre il problema dell’intermittenza delle fonti rinnovabili (di notte i pannelli solari non funzionano e in assenza di vento le pale eoliche sono ferme), in rapporto alla variabilità della domanda di energia. A differenza dei combustibili, infatti, l’elettricità non si può conservare: occorre utilizzarla nel momento stesso in cui viene generata, altrimenti è persa per sempre.
Una soluzione per accumulare l’energia verde quando è disponibile, per poi usarla quando serve, è quella delle batterie: una reazione trasforma l’energia elettrica in energia chimica, immagazzinandola nei legami fra molecole e metalli presenti nella batteria; quella inversa ritrasforma l’energia chimica in elettricità, per i momenti di bisogno. Le batterie però hanno numerosi svantaggi: usano spesso metalli rari, costosi e difficilmente reperibili, inquinano durante la loro produzione e smaltimento, sono pesanti e poco adatte ad essere utilizzate in tutti i dispositivi mobili.
Inoltre, le batterie possono essere utili per compensare oscillazioni quotidiane di domanda e offerta, come nel ciclo giorno e notte dei pannelli solari. Ma gli impianti eolici sono caratterizzati da cicli molto più lunghi e spesso stagionali: in inverno i venti sono molto intensi mentre in estate non tira un alito di vento. Per compensare questi cicli stagionali occorrerebbero grandi pacchi batterie in grado di conservare energia per mesi e bisognerebbe risolvere il problema della loro naturale autoscarica col tempo.
L’idrogeno (H2) può essere la molecola che ci aiuterà a vincere queste sfide.
L’elemento più abbondantedi tutto l’Universo –il Sole e la Via Lattea sono fatti per tre quarti di idrogeno– è un ottimo vettore energetico in forma di gas. Un solo chilogrammo di H2 è in grado di sviluppare 142 MJ di energia, contro i 56 del gas naturale, i 45-46 di benzina, diesel o kerosene, i 30-32 del carbone e i 16 della legna. Può essere trasportato con facilità lungo gasdotti e, asso di briscola, non produce emissioni di CO2 oaltri inquinanti!
Perché dunque l’idrogeno non è ancora generalmente e globalmente utilizzato?
Prima di tutto, per ottenerlo sul nostro pianeta abbiamo un grosso problema: anche se sulla superficie terrestre ne possiamo trovare oceani interi, tutto questo idrogeno si trova in forma ossidata: si chiama… acqua.
Per poterlo utilizzare a fini energetici dobbiamo prima “estrarlo” dalle molecole d’acqua e poi immagazzinarlo. Ecco perché, a meno che non riusciamo a procurarcelo direttamente sul Sole, dove si trova già allo stato non ossidato, l’idrogeno va considerato come un vettore per il trasporto e lo stoccaggio dell’energia e non come a una fonte energetica.
La via principale per produrlo da fonti rinnovabili è utilizzare un elettrolizzatore. In questo dispositivo, fornendo elettricità all’acqua, si smontano le molecole di H2O nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno, trasformando l’energia elettrica in energia chimica. Se fatto funzionare al contrario, l’elettrizzatore diventa una cella a combustibile che ritrasforma l’energia chimica in energia elettrica, utilizzando le molecole H2 e O2 per produrre molecole di H2O.
Una cella a combustibile
In questo modo si riesce a immagazzinare l’energia in eccesso prodotta dalle rinnovabili invece di sprecarla: quando produciamo troppa energia rispetto alla domanda, ad esempio in un impianto a pannelli solari o in una centrale eolica, possiamo deviare l’eccesso di elettricità a un elettrolizzatore alimentato ad acqua, utilizzare o liberare l’ossigeno in atmosfera e immagazzinare l’idrogeno comprimendolo in bombole. Quando, viceversa, la domanda di energia supera la capacità di produzione da rinnovabili, possiamo far funzionare l’elettrolizzatore al contrario e trasformare di nuovol’energia chimica in energia elettrica.
Oltre a stabilizzare la rete elettrica, l’idrogeno è impiegato come carburante per automobili, camion, persino intere navi, o anche per alimentare processi industriali che richiedono grandi quantità di energia, come le acciaierie o l’industria del silicio, rendendole in questo modo più ecocompatibili.
Tra i vantaggi dell’idrogeno c’è inoltre l’efficienza di conversione: un’attuale cella a combustibile (che trasforma cioè l’energia chimica in energia elettrica) per un veicolo ad H2 raggiunge l’efficienza del 60%. Per un motore a benzina questa è solo del 20%; per un moderno impianto termoelettrico a carbone del 45%; ma un 10% si perde lungo la linea elettrica prima di raggiungere gli utilizzatori.
Resta un aspetto negativo: al momento il costo dell’Idrogeno ètroppo alto rispetto alle tecnologie più tradizionali. Siamo però anche qui sulla buona strada: nel 2000, produrre energia bruciando petrolio, costava 40 volte meno che ottenerla usando idrogeno prodotto da fonti rinnovabili. Nel 2010 il rapporto è sceso a 10 e oggi l’energia da H2 green costa solo il doppio di quella da fossili.
Secondo i dati IEA 2021, produrre l'idrogeno costa tra i 0,5 e i 1,7 $/kg (pari a 0,5 e 1,7 €/kg a settembre 2022), mentre un chilogrammo di idrogeno ha l'equivalenza energetica di 3,8 kg di petrolio (pari a un gallone), che a settembre 2022 costava circa 2,14 dollari.
La International Energy Agency prevede che nel 2030 il prezzo dell’H2 diminuirà di un ulteriore 30%, grazie all’aumento della produzione e, soprattutto, al miglioramento delle tecnologie rinnovabili e di quelle per la generazione di Idrogeno.
La ricerca e lo sviluppo non si fermano. Non rinunciamo all’idea di conservare in un barattolo un pezzettino di Sole da usare all’evenienza.
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