L’idrogeno, l’eroe delle emissioni nette zero

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Illustrazione: Eric Buche
Illustrazione: Eric Buche
L’idrogeno verde potrebbe trasformare il nostro sistema energetico e risolvere molti problemi di approvvigionamento e di emissioni. Tuttavia, il suo successo dipenderà dalla redditività della produzione e dalla sua attrattiva per i consumatori.

Tra le tecnologie promettenti per un futuro a emissioni zero, l’idrogeno fa parte di una classe a sé stante. Mentre i pannelli solari, le turbine eoliche e le centrali idroelettriche sfruttano l’energia fornita dalla natura per convertirla in elettricità, l’idrogeno rappresenta un’eccezione a questa regola. "L’idrogeno non è una fonte di energia, ma un vettore energetico", spiega Andreas Züttel, responsabile del Laboratorio Materiali per le Energie Rinnovabili dell’EPFL.

L’idrogeno è già al centro del nostro sistema energetico. Contenendo più energia per unità di massa di qualsiasi altra sostanza conosciuta, è il principale vettore energetico dei nostri combustibili fossili. La libera combustione dell’idrogeno con l’ossigeno ha reso possibile la propulsione di razzi nello spazio. E grazie alla nostra capacità di controllare la sua combustione nelle celle a combustibile, oggi alimenta una flotta di veicoli sempre più ampia.

Secondo Andreas Züttel, il problema dell’idrogeno attualmente in uso è che quasi il 95% è sporco. Per soddisfare il nostro fabbisogno, ad esempio per l’idrocracking nelle raffinerie di petrolio, la produzione di fertilizzanti sintetici o l’industria chimica, lo ricaviamo dai combustibili fossili, il che comporta una notevole impronta di carbonio.

Una transizione difficile

Sorprendentemente, questa stessa sostanza viene presentata come una componente essenziale di un sistema energetico a emissioni nette zero. L’Ufficio federale dell’energia (UFE) stima che l’idrogeno pulito e verde svolgerà un ruolo importante nel mix energetico pulito della Svizzera entro il 2050. E questo nonostante il fatto che oggi sia prossimo allo zero.

Per raggiungere questo obiettivo, l’idrogeno dovrà essere completamente ripulito. Il passaggio all’idrogeno pulito implica il superamento delle numerose sfide insite nell’idrogeno. Da un punto di vista chimico, l’assenza di una fase liquida a temperatura ambiente ne rende difficile lo stoccaggio. L’idrogeno è inoltre notoriamente esplosivo e quindi difficile da maneggiare. Inoltre, la sua incapacità di essere odorizzato rende difficile individuare le perdite.

In termini di efficienza energetica, l’idrogeno è in ritardo rispetto ad altre fonti energetiche, in quanto la sua produzione richiede grandi quantità di energia - 66 kWh per chilo, che possono restituirne solo la metà. Lo stesso vale dal punto di vista economico, poiché il costo per kWh dell’energia trasportata dall’idrogeno è da 2 a 3 volte superiore al prezzo di mercato dell’elettricità.

Perché c’è tanta speranza per l’idrogeno? Perché, nelle giuste condizioni, le proprietà di questo vettore energetico rinnovabile potrebbero consentire di affrontare le sfide che si presenteranno con il passaggio a un mix energetico più pulito ed ecologico.

Il coltellino svizzero dei vettori energetici

Oggi assistiamo a una rinascita dell’interesse. L’idrogeno è tornato sotto i riflettori", afferma Andreas Züttel. Questa volta è per il suo potenziale di riduzione delle emissioni globali di CO2. Mentre la combustione del carbonio produce CO2, che intrappola il calore, la combustione dell’idrogeno non produce altro che acqua. Se l’elettricità rinnovabile viene utilizzata per produrre idrogeno, ad esempio attraverso l’elettrolisi dell’acqua, l’idrogeno risultante diventa un mezzo efficace per immagazzinare energia rinnovabile.

L’idrogeno è l’elemento chiave che rende possibile il passaggio dall’elettricità rinnovabile a vettori energetici chimici come il metano, il metanolo, l’olio sintetico o l’ammoniaca", spiega Andreas Züttel. Anche se queste sostanze possono essere prodotte utilizzando il carbonio proveniente dalla CO2 catturata dall’atmosfera o dalla biomassa, è l’idrogeno che trasporta l’energia rinnovabile".


L’idrogeno è quindi un prezioso vettore energetico. Pure, può essere utilizzato per generare elettricità per soddisfare i picchi di domanda e per alimentare automobili, autobus e veicoli pesanti. Se riusciamo a risolvere il problema dello stoccaggio, della distribuzione e della movimentazione, possiamo iniziare a utilizzarlo come carburante a zero emissioni per il trasporto marittimo e l’aviazione.

Combinato con il carbonio estratto dall’atmosfera, dalla biomassa o dalle emissioni industriali, potrebbe essere trasformato in metano, olio sintetico, ammoniaca, metanolo o altri carburanti a zero emissioni. Anche in questo caso, ciò andrebbe a scapito dell’efficienza energetica complessiva. Tuttavia, in un mondo inondato di elettricità rinnovabile, la maggiore densità energetica volumetrica e la manipolazione sicura offerte da questi combustibili sintetici possono ridurre l’impronta di carbonio delle applicazioni difficili da elettrificare.

Accelerare l’adozione del mercato

Fortunatamente, secondo Andreas Züttel, sono stati fatti diversi passi avanti verso l’adozione sul mercato dell’idrogeno verde nei trasporti e nella produzione di energia. Questi due settori sono responsabili di oltre la metà delle emissioni mondiali di gas serra. Questo inizia a monte della produzione di idrogeno, dove l’elettricità rinnovabile ha già raggiunto la parità di prezzo con l’elettricità standard, decenni prima di quanto inizialmente previsto dall’Agenzia Internazionale dell’Energia, facendo scendere il costo dell’idrogeno pulito.

Le forze di mercato hanno giocato un ruolo fondamentale nelle applicazioni per veicoli stradali, accelerando lo sviluppo di celle a combustibile e di bombole sicure per lo stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione. Nonostante questi progressi tecnologici, l’adozione dei veicoli a idrogeno è stata frustrantemente lenta. L’ostacolo principale è infatti la mancanza di infrastrutture stradali. Attualmente la Svizzera dispone di otto stazioni di rifornimento di idrogeno", afferma Andreas Züttel. "Le persone non compreranno un veicolo a idrogeno se non possono fare rifornimento. E chi vorrebbe gestire una stazione se nessuno volesse comprare idrogeno? Ecco perché Toyota non vende qui i suoi veicoli elettrici a celle a combustibile.

Con l’aumento della percentuale di elettricità rinnovabile intermittente trasportata dalla rete elettrica, è probabile che le centrali elettriche diventino sempre più dipendenti dall’idrogeno immagazzinato per soddisfare la domanda. "Se abbiamo una grande quantità di elettricità volatile, proveniente dall’energia solare o eolica, possiamo produrre idrogeno e immagazzinarlo nel sottosuolo, ad esempio. E poi usarlo in inverno per produrre elettricità ad alta efficienza nelle centrali a ciclo combinato, che hanno una turbina a idrogeno e una turbina a vapore", spiega.

"Perché questo funzioni, l’intero mercato e le nostre aspettative dovranno adattarsi. Siamo abituati a comprare elettricità a un prezzo più o meno costante. Perché lo stoccaggio sia interessante, il prezzo dell’elettricità dovrebbe essere più alto di notte che di giorno. E in inverno dovremmo essere pronti a pagare di più rispetto ai mesi estivi. Ma più diventa interessante immagazzinare l’elettricità con l’idrogeno, più ci saranno impianti di questo tipo".

Per stimolare la crescita del mercato sia nella domanda che nell’offerta, l’industria ha trovato una soluzione colorata. L’idrogeno viene ora commercializzato in uno spettro di colori che va dal nero al verde, a seconda della sua impronta di carbonio. Quando sviluppano nuove applicazioni, i consumatori di idrogeno possono ora scegliere con cognizione di causa se dare la priorità all’impronta di carbonio o al costo. In ultima analisi, questa strategia li incoraggerà a passare all’idrogeno più ecologico man mano che diventerà più accessibile.

Tuttavia, come sottolinea Andreas Züttel, questa è solo una strategia temporanea, messa in atto mentre si crea la domanda di idrogeno e l’infrastruttura necessaria per distribuirlo. "Quando inizieremo a usare molto idrogeno, non potrà che essere idrogeno rinnovabile. Qualsiasi altra soluzione non avrebbe senso".