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Le tre strade per l’idrogeno verde

Alcune delle numerose vie che possiamo intraprendere per raggiungere la neutralità carbonica.

di Adam Kimmel
16 dicembre 2020
9 min di lettura
di Adam Kimmel
16 dicembre 2020
9 min di lettura

L’anidride carbonica atmosferica, emessa nell’aria dai combustibili fossili, causa un aumento delle temperature globali, con il conseguente cambiamento climatico. L’anidride carbonica (CO2) derivante dalla combustione di combustibili fossili, dai processi industriali, dalla deforestazione e dalla preparazione dei suoli per le attività agricole è responsabile del 76% delle emissioni globali di gas serra causate dall’uomo. In termini di settori economici, i trasporti, la generazione di elettricità/calore e l’agricoltura rappresentano il 63% della produzione di gas serra. La CO2 assorbe parte della radiazione termica infrarossa emessa dalla superficie terrestre, riscaldando così le temperature degli oceani e aumentando la produzione di vapore acqueo. Quantità più elevate di CO2 e di vapore acqueo aumentano l’energia atmosferica, causando eventi meteorologici più estremi. L’energia sostenibile e rinnovabile cerca di invertire questa tendenza, emettendo una minore quantità di CO2 o riconvertendola in materiali o combustibili utilizzabili. Convertire l’energia dalla fonte all’applicazione con zero sprechi è la situazione ideale: questa è energia rinnovabile. Le fonti rinnovabili, come l’eolico e il solare, sono disponibili all’infinito. Attualmente, però, la produzione globale di energia rinnovabile non è sufficiente. Secondo l’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili, il mondo avrebbe bisogno di 19 exajoule di idrogeno verde entro il 2050 per soddisfare la domanda globale di energia. La produzione del 2018 e la domanda prevista per il 2050 sono illustrate nella tabella seguente.

Fonte rinnovabile e la necessità di ognuna di fornire idrogeno verde al 100% entro il 2050; la tipologia di domanda dipende dai diversi fattori che ogni tecnologia è in grado di soddisfare.

Poiché ognuna di queste fonti di energia dovrebbe aumentare in grandissima proporzione per soddisfare la domanda energetica globale, la soluzione vincente sarà probabilmente una loro combinazione. L’energia sostenibile è la porta di accesso per arrivare a un sistema rinnovabile. Consente, infatti, di sfruttare al meglio la quantità finita di combustibili fossili disponibili, riducendo l’energia termica dispersa nel processo. L’energia sostenibile promuove anche lo sviluppo della tecnologia indispensabile per consumare la massa critica di energia rinnovabile necessaria perché sia commercialmente sensato utilizzarla. Ci sono diversi percorsi per ottenere energia sostenibile. L’idrogeno usato come vettore energetico, la cattura e lo stoccaggio del carbonio (Carbon Capture and Storage - CCS) e l’olio vegetale idrotrattato (HVO): ecco tre possibili vie per arrivare a un approvvigionamento energetico neutro in termini di CO2.

Idrogeno

L’idrogeno è un vettore energetico efficiente grazie all’elevato rapporto energia/massa. Offre flessibilità di produzione grazie alla possibilità di essere immagazzinato e trasportato come un liquido o come un gas. L’idrogeno può inoltre essere prodotto localmente presso i siti di distribuzione o gli impianti dove viene liquefatto e trasportato. I Paesi con un’infrastruttura per il gas naturale ben sviluppata spesso producono idrogeno con il reforming del metano a vapore (SMR), ossia un processo di reazione tra vapore ad alta temperatura e gas naturale (metano) che produce idrogeno gassoso e monossido di carbonio. La reazione di spostamento del gas d’acqua unisce il monossido di carbonio al vapore per produrre ulteriore idrogeno e CO2. L’idrogeno può essere un reagente per le celle a combustibile, un metodo di conversione dell’energia completamente rinnovabile che trasforma l’energia chimica direttamente in energia elettrica senza lo stato intermedio di energia termica che la combustione richiede. Le celle a combustibile fanno sì che l’idrogeno reagisca con l’ossigeno per produrre elettricità.

Gli unici sottoprodotti sono acqua pura e calore residuo. Anche i veicoli elettrici stanno spingendo la domanda di celle a combustibile, grazie allo sviluppo di trasmissioni elettriche che utilizzano celle a combustibile (FCEV). L’idrogeno resta comunque molto più efficiente degli idrocarburi, anche quando viene bruciato direttamente. Come nella reazione delle celle a combustibile, anche la combustione dell’idrogeno nell’ossigeno produce solo acqua e calore residuo. Questo significa che la CO2 non è un prodotto della combustione. Nonostante i suoi vantaggi, l’attuale produzione di idrogeno richiede ancora l’uso di combustibili fossili per la produzione commerciale. L’infrastruttura per il gas naturale già esistente lo rende una materia prima molto interessante. L’idrogeno ha inoltre un ampio intervallo di accensione (4-94% in ossigeno, 4-74% in aria), pertanto, è importante che gli utenti prendano le dovute precauzioni nel suo utilizzo. Oltre alla soluzione del reforming, altre fonti rinnovabili e sostenibili, come l’energia eolica, solare, le biomasse e l’energia nucleare, offrono ulteriori percorsi di produzione di idrogeno.

Sebbene questi approcci puntino verso un futuro sostenibile basato sull’idrogeno, va ricordato che il costo della produzione di idrogeno supera ancora quello della conversione dei combustibili fossili. A seconda dei diversi metodi di produzione, l’idrogeno rinnovabile green costa tra i 2,50 e i 6,80 dollari al kg a livello globale, importi che ne ostacolano l’adozione su larga scala. L’elettrolisi è un approccio rinnovabile quasi ciclico che scinde l’acqua in idrogeno e ossigeno, che a loro volta reagiscono per produrre nuovamente energia e acqua. La difficoltà principale di questo approccio è l’energia di attivazione necessaria affinché la reazione superi la stabilità intramolecolare dell’acqua. Nonostante gli evidenti benefici, il costo, le infrastrutture e la dipendenza dai combustibili fossili nelle attività di produzione continuano a essere barriere che frenano un’economia dell’idrogeno rinnovabile.

Cattura e stoccaggio del carbonio

Il CCS cattura la CO2 prodotta da reazioni come il reforming del metano a vapore per impedire ai gas serra di entrare nell’atmosfera. Due approcci CCS comuni sono l’assorbimento a pressione oscillante (PSA) del gas residuo e l’ossidazione diretta degli atomi di carbonio nella materia prima e nel forno di reforming. Nei casi in cui la CO2 può essere catturata e immagazzinata, gli scienziati parlano di metodo di produzione di idrogeno blu: non completamente verde, ma un’interessante via di mezzo per ridurre la CO2 atmosferica. Questo compromesso consente di sviluppare l’energia solare, eolica e altre fonti rinnovabili in parallelo con la creazione di un’infrastruttura a idrogeno matura e ottimizzata in termini di costi, che consenta un risultato neutro dal punto di vista climatico. In una visione completa del reforming con CCS, il reforming autotermico (reforming del metano più ossidazione parziale) consente una maggiore cattura di CO2 rispetto al reforming del metano a vapore. Se aggiungiamo una reazione di spostamento del gas d’acqua a bassa temperatura e CCS, la cattura di CO2 garantita da questo approccio è quasi del 100%.

Olio vegetale idrotrattato

Il terzo approccio alla produzione di energia sostenibile è il carburante HVO (diesel rinnovabile). Questi combustibili non creano emissioni di NOx né di particolato generate dai combustibili a base di esteri per la mancanza di gruppi di ossigeno. Alcune tra le materie prime per la produzione di carburanti a base di HVO sono la colza, il girasole, la palma, la soia e le alghe. La struttura paraffinica a catena diritta rispecchia le prestazioni della benzina e offre il doppio dell’autonomia del carburante E85, con l’ulteriore vantaggio dell’accensione per compressione. I carburanti a base di HVO riducono i prodotti della combustione incompleta NOx, UHC e CO e offrono prestazioni e proprietà simili ai carburanti diesel da gas a liquido Fischer-Tropsch. Sono completamente rinnovabili e possono ridurre le emissioni di CO2 fino al 90% rispetto al diesel tradizionale.

La via verso il futuro

È essenziale continuare a dare priorità a un'economia dell'idrogeno verde che oltre ad essere vantaggiosa affronta il problema delle emissioni. Mentre l’obiettivo è un’energia completamente rinnovabile, l’energia sostenibile rappresenta il ponte verso un contesto neutro dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica, poiché aumenta la produzione di energia da fonti verdi per garantire la fattibilità economica. La diffusione dell’idrogeno, l’introduzione del CCS durante la produzione di energia e il passaggio agli HVO possono ridurre drasticamente i livelli globali di emissioni di CO2. In questo modo, possiamo incidere sull’aumento della temperatura a livello globale, migliorando l’ambiente e la qualità della vita per tutti.

L'autore: Adam Kimmel

Ingegnere di professione, R&D manager, scrittore in materia di ingegneria, con lauree in Ingegneria Chimica e Meccanica. È fondatore e direttore di ASK Consulting Solutions, LLC, una società di ingegneria e scrittura di contenuti tecnologici.