L’idrogeno come fonte di energia

L’idrogeno è una fonte di energia?

Esistono due tipologie di fonti di energia, denominate “primaria” e “secondaria”. Le fonti di energia primaria sono quelle presenti in natura (le fonti rinnovabili, i combustibili fossili, e l’energia nucleare).

Le fonti di energia secondarie sono quelle che si ottengono a fronte di una trasformazione.

L’idrogeno è una fonte di energia secondaria perché, pur essendo l’elemento più abbondante di tutto l’universo, sul nostro pianeta non è normalmente presente allo stato puro, ma solo come composto chimico (legato cioè ad altri atomi).

I composti in cui è più comunemente presente l’idrogeno sono l’acqua, il carbone e il gas naturale, un insieme di vari gas dei quali il metano è quello che contiene più idrogeno.

Produrre idrogeno conviene?

Durante la combustione l’idrogeno si combina con l’ossigeno liberando energia e producendo acqua come risultato. L’acqua è un composto stabile quindi, se vogliamo estrarre nuovamente i suoi componenti base, dobbiamo fornire energia.

La termodinamica ci insegna che l’estrazione dell’idrogeno dall’acqua necessiterà obbligatoriamente di una quantità di energia maggiore di quella che l’idrogeno ottenuto con questa trasformazione potrà mai fornirci.

Anche l’estrazione dell’idrogeno da una fonte energia primaria necessita di energia, ma siccome la fonte di energia primaria è già presente in natura, il bilancio energetico finale è comunque positivo.

Estrazione dell’idrogeno dal gas naturale

Per estrarre idrogeno dal metano serve acqua vaporizzata ad una temperatura compresa tra i 700 e i 1100 gradi centigradi.

A quella temperatura acqua e metano si trasformano in monossido di carbonio e idrogeno.
A quel punto il monossido di carbonio viene messo nuovamente a contatto con vapore a 130 gradi e si ottiene una nuova reazione il cui risultato è anidride carbonica (di scarto) e idrogeno.

Il calore necessario a queste reazioni si ottiene bruciando una parte del gas naturale.

Per produrre idrogeno dal gas naturale, sia nel processo di combustione, sia come materiale di scarto, si rilascia comunque anidride carbonica. Ovvero, si inquina.

Il gas naturale inoltre non è composto dal solo metano. Oltre a etano, propano e butano (tutti composti da cui è possibile estrarre idrogeno, anche se in quantità minore che dal metano) sono presenti anche altri contaminanti nocivi, acido solfidrico e mercurio, che devono essere rimossi prima dell’utilizzo.

L’estrazione dal carbone funziona con lo stesso principio, solo con un passaggio in più, la gassificazione, che produce idrogeno, metano e catrame.
A causa di questo ulteriore passaggio, utilizzare il carbone inquina di più che partire dal gas naturale.

Estrazione dell’idrogeno dall’acqua

Abbiamo già detto che estrarre idrogeno dall’acqua è energeticamente sconveniente. Per questo motivo si stanno studiando diverse promettenti modalità di estrazione basate sulle energie rinnovabili, anche se nessuna di queste è ancora utilizzata su larga scala.

Produzione biologica tramite bioreattori

Alla fine degli anni ’90 si è scoperto che privando dello zolfo alcune tipologie di alghe, queste smettevano di produrre ossigeno e cominciavano a produrre idrogeno.

Esistono svariati problemi tecnici legati a questa tipologia di produzione, ma la ricerca fa continuamente passi avanti e gli sviluppi sono promettenti.

Una volta risolti i problemi, si stima che una coltura di alghe della dimensione dello stato del Texas potrebbe produrre la quantità di idrogeno necessaria per soddisfare la richiesta di energia di tutto il mondo.

Elettrolisi da energia rinnovabile

Uno dei problemi delle fonti di energie rinnovabili, è che l’energia prodotta non può essere immagazzinata.

Per esempio, il solare produce energia durante il giorno, con dei picchi a metà giornata e non ne produce di notte. I picchi di assorbimento di corrente della rete però, non sono necessariamente sincronizzati ai picchi di produzione e quindi sarebbe necessario immagazzinare l’energia prodotta.

Un sistema per immagazzinare questa energia, è quello di utilizzarla per generare idrogeno partendo dall’acqua. Pur essendo una reazione chimica sconveniente dal punto di vista energetico, è sempre più conveniente che buttare via l’energia prodotta in eccesso.
Uno dei motivi per cui questo attualmente non avviene è che la generazione di energie rinnovabili ho luogo solitamente in modo molto distribuito sul territorio, in piccole (a volte piccolissime) centrali, e ciò aumenta la difficoltà di stoccaggio e trasporto dell’idrogeno prodotto.

Elettrolisi ad alta temperatura

E’ una modalità analoga alla precedente, ma studiata soprattutto per l’utilizzo nei reattori nucleari di IV generazione.

Anche i reattori nucleari hanno il problema che non possono essere mai spenti, e in più generano un sacco di calore. Il primo fattore permette di avere energia in eccesso da utilizzare per l’elettrolisi, mentre la presenza di calore raddoppia potenzialmente l’efficienza della reazione.

Per questo però servono reattori nucleari di IV generazione, che non saranno disponibili fino al 2030.

Conclusioni

L’idrogeno attualmente non è una fonte di energia che possa competere con quelle che utilizziamo normalmente. Non è però detto che non possa diventare competitivo in futuro.

Anche una volta che sarà risolto il problema della generazione, restano però da risolvere molti altri problemi, legati allo stoccaggio, al trasporto, e al rendimento.

Ma di questi problemi ne parlerò in un prossimo articolo.