Idrogeno: come può cambiare il futuro?

L’idrogeno può essere prodotto in diversi modi, ma il metodo più sostenibile e pulito è l’elettrolisi dell’acqua alimentata da energie rinnovabili come il solare e l’eolico. Spesso, infatti, gli impianti di produzione dell’idrogeno sono posizionati in prossimità di pale eoliche o di isole fotovoltaiche.

Elettrolisi dell’acqua. L’elettrolisi è un processo che separa l’acqua (H₂O) nei suoi due componenti:

1. Idrogeno (H₂)
2. Ossigeno (O₂)

Questo avviene facendo passare una corrente elettrica attraverso l’acqua, grazie a un “elettrolizzatore”. Un elettrolizzatore è un dispositivo che utilizza l'energia elettrica per effettuare una reazione chimica chiamata elettrolisi. Questo processo separa i componenti di una sostanza, come l'acqua, nei suoi elementi base, utilizzando elettrodi e una soluzione elettrolitica. Se l’energia utilizzata proviene da fonti rinnovabili, l’idrogeno prodotto è considerato “verde”, cioè a impatto ambientale nullo.

Esistono diversi tipi di elettrolizzatori:

• Elettrolizzatori alcalini (AWE = Alkaline Water Electrolyzer)  – tecnologia consolidata, con costi relativamente bassi.
• Elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM = Proton Exchange Membrane) – più efficienti, ma più costosi.
• Elettrolizzatori a ossidi solidi (SOEC = Solid Oxide Electrolyzer Cells) – ancora in sviluppo, con grande potenziale in termini di efficienza, ma difficoltà nella gestione delle alte temperature di processo (700-1000 °C).

Un’altra tecnologia emergente è la fotocatalisi, che utilizza direttamente la luce solare per separare l’idrogeno dall’acqua, senza bisogno di elettricità. La fotocatalisi per produrre idrogeno sfrutta materiali semiconduttori, come il biossido di titanio (TiO₂), che assorbono luce e attivano la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo, noto come “water splitting”, è una via sostenibile per ottenere idrogeno verde, utilizzabile come fonte di energia pulita.

L’idrogeno ha un eccellente rapporto energia-volume. È uno dei combustibili con la più alta densità energetica per unità di massa. Tuttavia, la sua densità volumetrica è bassa, quindi richiede compressione o liquefazione per immagazzinamento efficiente. Nonostante queste sfide, è promettente per applicazioni energetiche pulite.

L’idrogeno, una volta prodotto, deve quindi essere immagazzinato in modo sicuro ed efficiente per poi averlo a disposizione quando serve. Uno dei grandi vantaggi dell’idrogeno è proprio quello di permettere anche uno stoccaggio per il lungo periodo. Le principali modalità di stoccaggio sono:

• Stoccaggio in forma gassosa. L’idrogeno può essere compresso e immagazzinato in serbatoi ad alta pressione (tipicamente tra 350 e 700 bar). È la soluzione più comune per il trasporto su lunghe distanze.
• Stoccaggio in forma liquida. L’idrogeno può essere raffreddato fino a -253°C per trasformarlo in liquido. Questo riduce il volume rispetto allo stato gassoso, ma il processo di liquefazione richiede molta energia.
• Stoccaggio in materiali solidi. L’idrogeno può essere assorbito da materiali come idruri metallici o composti chimici che lo rilasciano lentamente quando necessario. Questa tecnologia è ancora in sviluppo, ma promette maggiore sicurezza e densità energetica.
• Stoccaggio chimico. L’idrogeno può essere immagazzinato in forma chimica in composti come l’ammoniaca (NH₃) o i carrier organici liquidi (LOHC). Questi composti possono essere trasportati facilmente e poi riconvertiti in idrogeno quando serve.

L’idrogeno può essere utilizzato per generare energia elettrica in diversi modi:

• Celle a Combustibile

Le celle a combustibile convertono l’idrogeno direttamente in elettricità attraverso una reazione elettrochimica con l’ossigeno dell’aria. Questo processo ha come unico sottoprodotto vapore acqueo, quindi è completamente pulito. L’efficienza è però un aspetto da valutare molto attentamente. L'efficienza della produzione di energia elettrica da idrogeno varia a seconda della tecnologia utilizzata. Le celle a combustibile, che convertono l'idrogeno direttamente in elettricità, hanno un'efficienza tipica del 40-60%. Tuttavia, quando il calore generato viene recuperato grazie a sistemi di cogenerazione, l'efficienza complessiva può superare l'80%.

Le celle a combustibile si dividono in diverse categorie:

PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cells (a membrana a scambio protonico) – sono apprezzate per la loro rapida risposta ai carichi variabili, la compattezza e la possibilità di operare a temperature relativamente basse, rendendole ideali per applicazioni come veicoli a celle a combustibile e sistemi di alimentazione portatili.

SOFC = Solid Oxide Fuel Cells (a ossidi solidi) – operano a temperature elevate (600-1000°C), il che consente una maggiore efficienza nella conversione dell'energia chimica in energia elettrica. Tuttavia, queste temperature elevate richiedono materiali ed impianti più costosi.

PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cells (celle a combustibile a fosfato acido) – Operano a temperature moderate, intorno ai 150-200°C, sono utilizzate principalmente in applicazioni stazionarie come la generazione di energia per edifici commerciali e industriali. Sono relativamente mature e affidabili, con una buona tolleranza alle impurità nel combustibile.

MCFC = Molten Carbonate Fuel Cells (le celle a combustibile a carbonati fusi) – meno diffuse, usate per grandi applicazioni industriali.

• Turbine a Gas a Idrogeno

L’idrogeno può essere bruciato in turbine a gas modificate per produrre elettricità, come avviene con il gas naturale. Questo metodo è particolarmente interessante per le centrali elettriche a idrogeno, che potrebbero sostituire o convertire le attuali centrali a gas fossile, soluzione che permetterebbe un’alternativa sostenibile in termini di emissioni.

• Motori a Combustione a Idrogeno

L’idrogeno può essere utilizzato direttamente in motori a combustione interna modificati. Questo metodo è meno efficiente rispetto alle celle a combustibile, ma può essere una soluzione transitoria per l’industria dei trasporti.

Come è emerso viene coinvolta molta tecnologia in questi processi: ci sono tantissime tecnologie in sviluppo e numerose Università coinvolte nella ricerca. L'industria dell’automazione si incontra con quella del processo, tantissimi sensori sono necessari e i relativi cavi e connettori sono un punto cruciale. Non dobbiamo scordare che l’idrogeno porta con sé la complessità delle atmosfere esplosive e quindi l’impiego di tutta la componentistica dedicata per questi ambienti.

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L’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili ha il potenziale per essere un pilastro della transizione energetica, grazie alla sua capacità di immagazzinare energia e di produrre elettricità in modo pulito. Tuttavia, ci sono ancora alcune sfide da superare:

• Ridurre i costi di produzione (gli elettrolizzatori devono diventare più efficienti ed economici).
• Migliorare le infrastrutture di trasporto e stoccaggio.
• Aumentare la diffusione delle celle a combustibile e delle turbine a idrogeno.

Se queste sfide verranno superate, l’idrogeno verde potrà diventare una soluzione chiave per un sistema energetico più sostenibile.