Idrogeno

L'idrogeno è una svolta. Ha il potenziale per trasformare il pianeta fornendo e accumulando energia verde. Potrebbe alimentare camion, navi, aerei e perfino città. Ma per rendere reale la rivoluzione dell'idrogeno, l'umanità deve superare diverse sfide tecniche ed economiche. Quindi prepariamoci a un viaggio nel mondo degli atomi e vediamo se l'idrogeno ha davvero tutto quello che serve per cambiare il mondo!

Se aprissi un libro sull'universo, troveresti l'idrogeno proprio nel primo capitolo. Perché è uno dei mattoni dell'universo. Costituisce il 90% degli atomi nelle stelle ^[1-4] e sulla Terra l'idrogeno è uno dei principali componenti dell'acqua, delle piante e perfino del DNA di tutti gli esseri viventi ^[4-7].

È anche un combustibile estremamente energetico, ed è per questo che la NASA lo usa per alimentare i razzi dell'esplorazione spaziale ^[8,9,10]. Chiaramente, l'idrogeno sta già portando l'umanità sempre più in alto. E soprattutto, non produce CO₂!

Allora perché non è la scelta energetica numero uno nel mondo? Beh, non è così semplice.

È difficile estrarre l'idrogeno dalla Terra in forma pura, anche se esistono depositi naturali ^[11-17]. Di solito è unito ad altri elementi e forma composti. Per esempio, insieme all'ossigeno forma l'acqua, cioè H₂O. Può anche unirsi al carbonio per formare gas fossile, noto anche come metano o CH₄.

Quindi, per ottenere idrogeno puro, va separato dagli elementi a cui è legato. Quando l'idrogeno viene ricavato dall'acqua, si libera ossigeno. Quando viene separato dal gas fossile, si libera carbonio. Quindi il fatto che usare l'idrogeno come combustibile sia positivo o negativo per il pianeta dipende da come viene prodotto.

Al momento, ci sono tre modi principali per produrre idrogeno come combustibile, classificati in grigio, blu e verde: ^[18-21]

Oggi, la maggior parte viene prodotta da combustibili fossili ^[22-28] e il tipo più comune è l'idrogeno grigio, prodotto dal gas fossile. Ma che si usi gas, carbone o petrolio, produrre idrogeno dai combustibili fossili rilascia molta CO₂ nell'atmosfera ^{[19,26,27,28]}. Purtroppo, queste forme rappresentano oltre il 99% di tutta la produzione di idrogeno ^[23,24,28]. Accidenti!

Infatti, la sola produzione di idrogeno grigio emette più CO₂ di Regno Unito e Australia messi insieme ^[28,29]!

Negli ultimi anni, i progressi nella tecnologia nota come cattura della CO₂ e stoccaggio hanno permesso alle centrali elettriche di catturare le loro emissioni di CO₂ e immagazzinarle sottoterra ^[30,31,32]. Quando questo si abbina alla produzione di idrogeno, il risultato si chiama idrogeno blu ^[33,34].

Ma anche se questo metodo riduce le emissioni di CO₂, al momento tende a far fuoriuscire metano (CH₄) ^[34-37] che può essere oltre 80 volte peggiore per l'atmosfera nell'arco di 20 anni ^[38,39,40]. Uno studio ha perfino scoperto che, se fatto male, l'aumento delle emissioni di CH₄ può essere così alto che sarebbe meglio bruciare direttamente i combustibili fossili ^[35].

Quello che gli scienziati cercano davvero, l'El Dorado dell'energia pulita, si chiama idrogeno verde. Viene prodotto dall'acqua in un processo chimico noto come elettrolisi: ^[41-45]

Immagina un grande serbatoio d'acqua, o H₂O. Per ottenere l'idrogeno, prima devi spezzare i suoi legami con l'ossigeno. Per farlo, usi l'elettricità per spezzare i legami nelle molecole d'acqua, producendo prezioso idrogeno gassoso. Semplice!

Tutto questo può essere alimentato da energia rinnovabile come il solare e l'eolico, con emissioni quasi pari a zero ^[41-45].

Questo idrogeno verde ha il potenziale per rimodellare il mondo ^{[21,28,43,44,45]}. Settori come la produzione petrolchimica e la siderurgia ^[44-47], responsabili di circa il 3,6% e il 7,2% delle emissioni globali ^[48], stanno iniziando a diventare più puliti usando idrogeno verde invece di combustibili fossili. Alcuni Paesi ci stanno investendo per decarbonizzare la produzione di ammoniaca, un composto usato nei fertilizzanti, e questo taglierebbe un ulteriore 1-2% delle emissioni globali ^{[44-46,49-53]}.

Gli esperti stanno studiando il suo uso anche nei trasporti. Le auto hanno bassa priorità grazie all'efficienza dei veicoli elettrici, ma i camion a lunga percorrenza, il trasporto marittimo internazionale e gli aerei a lungo raggio hanno una priorità più alta. Non potendo usare batterie pesanti per alimentarsi, l'idrogeno verde è un'alternativa ideale ^{[21,28,44,45,54]}.

In teoria (e purché sia prodotto in modo sostenibile), l'unica emissione diretta dell'uso dell'idrogeno come combustibile è acqua. Infatti, quest'acqua viene usata perfino negli shuttle spaziali della NASA, dove gli astronauti la bevono davvero! ^[55,56]

Quindi dov'è il trucco?

Beh, se bruci semplicemente l'idrogeno, può anche far reagire l'azoto nell'aria e produrre ossidi di azoto, che sono inquinanti atmosferici dannosi ^[57-61].

È comunque più pulito che bruciare combustibili fossili, ma l'opzione più pulita è non bruciarlo affatto e usare una cella a combustibile a idrogeno, che trasforma direttamente l'energia chimica dell'idrogeno in elettricità ^[62-65]. Non solo è più efficiente, ma non produce emissioni di ossidi di azoto e ovviamente zero CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Sembra bello, no? Allora perché meno dell'1% dell'idrogeno prodotto oggi è verde? ^[23,24,28] Perché non tutti scelgono questa versione ecologica?

Al momento, l'idrogeno è costoso e richiede molta elettricità per essere prodotto ^[66-69]. Se volessi alimentare il tuo telefono con idrogeno verde invece di caricarlo direttamente con energia rinnovabile, dovresti prima convertire l'elettricità da fonti rinnovabili in idrogeno e poi usare una cella a combustibile per riconvertirlo in elettricità. Così potresti perdere fino al 70% dell'energia che avresti ricevuto se avessi caricato direttamente il telefono con pannelli solari fin dall'inizio! ^[70,71,72]

Pare che l'idrogeno verde non dia proprio molto in cambio dei tuoi soldi. Allora perché usarlo per alimentare case e città?

La risposta sta in una delle proprietà più potenti dell'idrogeno… La sua capacità di accumulare grandi quantità di energia per usarla in futuro.

Dato che le turbine eoliche hanno bisogno di vento e i pannelli solari di luce solare, nei giorni bui e senza vento gas e carbone spesso devono intervenire per tenere in funzione l'elettricità. Ma ecco un'idea più verde:

Alimenti le case con energia rinnovabile attraverso una rete elettrica intelligente e flessibile, e costruisci abbastanza parchi eolici e solari da generare un surplus di energia. L'elettricità in eccesso può poi essere convogliata agli impianti di idrogeno verde, dove viene usata per produrre idrogeno. Questo idrogeno può poi essere immagazzinato e usato per generare elettricità quando il solare e l'eolico non riescono a soddisfare la domanda ^[73-76].

E se non bastasse, l'idrogeno può essere immagazzinato in enormi quantità sottoterra e per lunghi periodi in vecchie miniere, caverne di sale o persino giacimenti di petrolio e gas esauriti ^[77-80]. Questo significa che può essere usato tutto l'anno, anche nei freddi mesi invernali.

Si chiama accumulo interstagionale e molti Paesi ci stanno già investendo ^{[23,81,82,83]}. Un giorno potrebbe perfino aiutare a eliminare la dipendenza dai combustibili fossili. E c'è di meglio, queste enormi riserve di idrogeno danno ai Paesi più indipendenza energetica, rendendoli meno dipendenti dalle importazioni di energia e quindi da altri Paesi per tenere accese le luci ^[84,85,86].

Ma le batterie non potrebbero fare la stessa cosa?

Non proprio. La quantità di batterie necessaria per accumulare settimane o mesi di energia di riserva per una città costerebbe molto, molto di più ^[87-90]. L'idrogeno, invece, può essere molto economico da immagazzinare su larga scala e potrebbe risolvere questo problema di accumulo di energia ^[91,92].

Quindi l'idrogeno potrebbe avere un ruolo nella decarbonizzazione del pianeta? Beh, solo se è idrogeno verde prodotto da fonti rinnovabili ^[93], e solo se il costo è realistico ^[66-69]. Per riuscirci bisogna ampliare e aggiornare le infrastrutture, e diffondere l'energia rinnovabile su larga scala.

Ma ci sono buone notizie! L'energia eolica e solare ora costano meno dei combustibili fossili ^[27,94-97]. E grazie ai recenti progressi tecnologici negli elettrolizzatori, anche il costo della produzione di idrogeno verde sta diminuendo rapidamente ^[98-102].

Quindi, se l'umanità sosterrà questa tecnologia emergente, l'idrogeno verde potrebbe essere una delle stelle splendenti che stavamo aspettando.