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L'idrogeno, numero uno!

L’invasione della Russia in Ucraina ha estremizzato in ogni Paese la necessità di affrancarsi dalla dipendenza energetica esterna, accelerando così i processi di adozione dell'idrogeno come nuova frontiera di sopravvivenza

Rifkin JeremyNel 2003, Jeremy Rifkin, presidente della Foundation on Economic Trends di Washington, professore della Wharton School of Finance and Commerce, nonché consigliere strategico di presidenti USA e Europa, pubblicò il libro "Economia all'idrogeno. La creazione del Worldwide Energy Web e la redistribuzione del potere sulla terra", uno studio molto accurato nel quale veniva tratteggiata una nuova economia che superando l'attuale era del petrolio, vedeva l'idrogeno protagonista della produzione di energia a livello mondiale. Con una fortissima predizione sulle implicazioni geopolitiche: la fine del predominio dei combustibili fossili, sostituiti dall'idrogeno equamente distribuito in natura, di fatto avrebbe rimesso in discussione gli equilibri tra gli Stati, con una progressiva democratizzazione a livello globale riducendo la dipendenza dai Paesi detentori dei maggiori giacimenti di petrolio e gas. Un tema divenuto estremamente attuale oggi con la aggressione della Russia all'Ucraina, alla quale i Paesi occidentali stanno reagendo bloccando le importazioni di gas dalla Russia, così compromettendone gli equilibri economici in larga parte correlati alle forniture di gas su scala mondiale. L'imperativo, oggi, è così divenuto assicurarsi l'indipendenza energetica, cosa per la quale l'idrogeno assume un ruolo da protagonista.

In realtà, il libro di Rifkin conteneva una enormità di ottime idee e previsioni, ma anche una incongruenza: all'epoca in cui fu scritto, il bilancio energetico nella produzione di idrogeno destinato a essere combustibile era negativo. Ovvero, usando i tradizionali processi produttivi per estrarre l'idrogeno dall'aria o dall'acqua ove si trova in abbondanza, l'energia elettrica richiesta dagli impianti era superiore a quella ricavabile dall'idrogeno stesso, Quindi, una pratica non conveniente. Così, nel 2011, con il suo libro "La terza rivoluzione industriale", Rifkin corresse in parte il tiro, attribuendo all'idrogeno il ruolo di complemento cruciale per una nuova economia basata sulla combinazione tra le energie rinnovabili, per produrre l'elettricità, e l'idrogeno prodotto in tal modo, ma più facilmente conservabile e trasportabile.

L’idrogeno è stato posto al centro della strategia della Commissione Europea, che punta ad azzerare le emissioni nette di gas a effetto serra entro il 2050 e realizzare il cosiddetto Green Deal, perseguendo il traguardo di raggiungere l'impatto zero sul clima. Percorso accelerato proprio dalla guerra in Ucraina che ha evidenziato i rischi di dipendenza dagli approvigionamenti di gas da Paesi terzi. 

L’idrogeno è così divenuto uno dei cardini del PNRR, anche in Italia, con lo stanziamento di miliardi di euro per lo studio e la realizzazione di innovative soluzioni produttive e sostenibili.

In buona sostanza, ho scelto di partire da questi due veri capisaldi sul futuro dell'energia per indicare che il discorso viene da lontano, ha e avrà grandi sviluppi, accelerati oggi proprio dall'allarme finalmente evidente agli occhi di tutti sulla necessità di porre l'energia in cima alle priorità di qualsiasi economia. Vediamo quindi a che punto siamo oggi nella produzione di idrogeno, anche alla luce dei recenti piani pubblicati dalla commissione europea e illustrati nel mio scorso post "Auto Elettriche: nuovi incentivi e ampliamento rete di distribuzione. Positivo? Sì, ma meglio l'idrogeno!". In prossimi post ne vedremo invece i campi di applicazione, i processi per ottenerlo e successivamente la struttura della filiera alla ricerca di opportunità di investimento.

L'Idrogeno è ovunque e abbondante

L'idrogeno occupa il primo posto nella tavola periodica messa a punto da Dimitri Mendeleev nel 1869 nella quale gli elementi sono ordinati per righe e colonne, dove appare con il simbolo H. Il suo nome, derivato da greco - Hýdor, «acqua» e ghen, «generare»- ne richiama la sua presenza nell'acqua, la cui formula chimica è H2O, ovvero due atomi di idrogeno combinati con uno di ossigeno.

Nella tavola di Mendeleev gli elementi sono posti in ordine di numero atomico o carica nucleare crescente, sebbene all'epoca in cui fu creata gli atomi non erano ancora stati ben studiati, per cui il criterio seguito fu la massa atomica, che poi di fatto coincide con il numero atomico, oggi utilizzato con maggior accuratezza. L'idrogeno è quindi l'elemento più semplice e leggero, costutito da un solo atomo - costituito basilarmente da un nucleo che contiene un protone, attorno al quale orbita un solo elettrone -, mentre all'altro estremo troviamo gli elementi più complessi e spesso instabili tra i quali, ad esempio, l'uranio e il plutonio. Non per niente, pensando ai processi di produzione dell'energia nucleare, la fusione viene fatta usando l'idrogeno - da cui anche la famosa Bomba H - mentre per la fissione si usano l'uranio e similari. Un capitolo a parte, che esamineremo in un prossimo futuro...

L'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'universo, sebbene non sia quasi mai allo stato puro, ma sempre combinato ad altri elementi, tipo la già citata acqua, oltre che in tutti i composti organici e organismi viventi. Si trova anche occluso in alcune rocce, come il granito, e forma composti con la maggior parte degli elementi. L'idrogeno si trova anche in alcuni gas naturali, primo tra tutti il metano, la cui formuna chimica è CH4, cioè, una parte di carbonio combinata con quattro di idrogeno.

L'idrogeno è il principale elemento delle stelle, a cominciare dal Sole, generandone l'energia - quindi luce e calore - attraverso continui processi di fusione nucleare. Giove e Saturno sono composti per circa l'80% di idrogeno, mentre il Sole arriva al 90%.

Nel momento in cui avviene la fusione di due nuclei di idrogeno (deuterio oppure prozio e trizio) che si trasformano in uno di elio, vengono generate enormi quantità di energia emesse sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Grazie alle elevatissime pressioni che si trovano al centro dei giganti gassosi, tipo Giove, l'idrogeno diventa un metallo liquido (idrogeno metallico). Per contro, con pressioni estremamente basse, le molecole di H2 possono subire delle dissociazione e se sottoposte a radiazione di opportuna frequenza, gli atomi individuali possono sopravvivere così a lungo da esser rilevati. La nascita delle stelle viene quindi attribuita alla formazione di nubi di H2.

Nelle modeste quantità che si trovano nell'atmosfera è un gas biatomico (H2), incolore, inodore, insapore, non tossico invisibile, più leggero dell’aria e altamente infiammabile. Per averlo in altre forme, ovvero liquido o solido, occorre portarlo a temperature difficile e costose da raggiungere, vicine allo zero assoluto, rispettivamente a 20,27 e 14,02 gradi Kelvin (circa - 250 gradi Celtius!).

Un po' di storia dell'idrogeno

Ad individuarlo per primo fu nel 1766, Henry Cavendish che lo rilevò nella reazione metallo-acido che produceva "dell'aria infiammabile" che una volta combusta generava acqua. Cavendish ne descrisse con precisione gran parte delle proprietà fondamentali, per cui ne viene considerato lo scopritore.

A dargli il nome fu tuttavia Antoine Lavoisier nel 1783, richiamandosi proprio alla capacità dell'idrogeno di produrre acqua. In realtà, in anni remoti, altri ricercatori erano "inciampati" nell'idrogeno, tra i quali Theophrastus Von Hohenheim, detto Paracelso, agli inizi del 1500, piuttosto che Robert Boyle che nel 1671 sperimentò la produzione di H2 mescolando limatura di ferro e acidi diluiti, ma l'approccio scientifico va attribuito al Cavendish che riconobbe nell'idrogeno H l'esistenza di un nuovo elemento chimico.

L'idrogeno come combustibile e non solo

L’idrogeno ha un contenuto energetico massico superiore al gas naturale o alla benzina (120 MJ/kg) che lo rende potenzialmente attraente come carburante per i trasporti. Su base volumetrica, il contenuto energetico dell'idrogeno è però relativamente basso (10,8 MJ/m3), imponendo di utilizzarne volumi maggiori, a parità di esigenze, rispetto alla benzina o ai gas naturali.

Nella forma di celle a combustibile, l'idrogeno viene impiegato per il trasporto aereo e terrestre a lunga distanza, ma anche per lo stoccaggio di energia estendendo l'affidabilità dei sistemi fotovoltaici e più in generale di tutte le energie rinnovabili per le reti elettriche, chimiche, siderurgiche. L’idrogeno viene anche miscelato con il gas naturale e aggiunto alle tubazioni per fornire combustibili più puliti per il riscaldamento industriale e domestico.

L’idrogeno è inoltre utilizzato come materia prima nei processi di produzione industriale dell’ammoniaca (NH3), di alcuni fertilizzanti e nella raffinazione del petrolio. L’ammoniaca e il metanolo (CH3OH) si trovano in forma liquida a temperature e pressioni vicine alle normali condizioni ambientali, divenendo potenziali vettori di idrogeno grazie alla loro facilità di trasporto e stoccaggio, potendo per di più essere utilizzati a loro volta come combustibili a sé stanti.

Le tecnologie di conversione dell’idrogeno in energia elettrica possono arrivare teoricamente ad un rendimento anche del 70%, ma con processi molto complessi che attualmente hanno dei punti di difficile superamento, a cominciare dalle elevate temperature (fino a 1700°C) di difficile gestione.

Un ruolo importante rivestito dall’idrogeno è quindi quello di vettore di energia, con anche la possibilità di stoccarne grandi quantità più facilmente conservabili e trasportabili rispetto alle batterie convenzionali utilizzate oggi. In prospettiva, abbinato alle fonti rinnovabili impiegate per la sua produzione, l’idrogeno può consentire di abbattere l'uso di carbone, petrolio e gas sia in qualità di combustibile, sia per altri impieghi.

Prospettive e opportunità

Nel luglio 2020, nell’ambito delle misure per realizzare il Green Deal europeo, la Commissione europea ha pubblicato la Strategia sull’idrogeno per un’Europa climaticamente neutra. Il piano ha fissato gli obiettivi, entro il 2024, di installare almeno 6 GW di capacità di elettrolisi, di produrre un milione di tonnellate di idrogeno utilizzando energie rinnovabili, mentre entro il 2030 di arrivare rispettivamente a 40 GW e 10 milioni di tonnellate. Un obiettivo per l'Italia potrebbe essere soddisfare entro il 2050, impiegando l'idrogeno prodotto con energie rinnovabili, il 25% della domanda energetica di tutto il Paese.

L'intera Europa, e anche l'Italia, si sono dotate negli anni di una fitta rete di gasdotti utilizzati principalmente per il trasporto di metano. In particolare, i principali gasdotti nazionali, all'interno dei quali il gas viene spinto a pressioni molto elevate (75 bar) sono 5:

  1. TRANS AUSTRIA GASLEITUNG (TAG): collega l’Italia alla Russia, passando per l’Austria; lo snodo di collegamento con i gasdotti nazionai è a Tarvisio;
  2. TENP e TRANSITGAS: trasportano il gas proveniente da Olanda e Norvegia, passando per Germania e Svizzera; lo snodo di collegamento con i gasdotti nazionai è a Passo Greis.
  3. TRANSMED: passando per la Tunisia e il Mediterraneo, trasporta il gas algerino fino a Mazara del Vallo, in Sicilia;
  4. GREENSTREAM: proviene dalla Libia e, passando per il Mediterraneo, arriva a Gela, in Sicilia; 
  5. TRANS ADRIATIC PIPELINE (TAP): parte dall'Azerbaijan e passando per la Grecia e l’Albania, attraverso l'Adriatico approdando qiuindi in Puglia dove si connette alla rete di gasdotti nazionali.

La rete di gasdotti nazionali è quindi strutturata per "autostrade", tratti "provinciali" e "cittadini". Le "autostrade" sono lunghe quasi 9.000 km ed è costituita da grandi tubature di grande diametro che via via vengono connesse a reti di carattere locale (per oltre 30.000 km) all’interno delle quali il gas viene progressivamente decompresso fino a circa 1 bar (più o meno una atmosfera), dai 75 di partenza. Ci sono inoltre 11 centrali di compressione che servono a imprimere la spinta al flusso del gas, con sistemi di regolazione, riduzione e miscelazione del gas, con anche vari centri di stoccaggio, attualmente spesso citati come riserva vitale per passare un inverno tranquillo.

Questa grande rete di gasdotti potrebbe essere progressivamente convertita al trasporto dell'idrogeno tenendo conto che se strutturalmente potrebbe risultare idonea, in realtà comporta un funzionamento a pressioni più elevate, richiede cabine di compressione e decompressione più sofisticate, possibilmente digitalizzate affinche risultino più convenienti nella gestione e affidabili nel funzionamento e riviste per evitare che il passaggio dell'idrogeno comporti una imprevista usura dei materiali impiegati per la loro costruzione. Rete che si potrà affiancare ad altri sistemi di trasporto più capillari, tipo camion specializzati necessari. ad esempio, per rifornire i punti di rifornimento inseriti nelle raccomandazioni europee, così come già indicato in questo post.

Tutto questo rappresenta contemporaneamente una grande opportunità sia sul fronte dell'esistenza di una articolata infrastruttura di partenza, sia per ciò che riguarda la sua revisione e integrazione. E si tratta di un solo esempio delle aree nelle quali si aprono importanti prospettive di sviluppo, di investimento, di creazione di nuove imprese e servizi. Temi che meritano vari approfondimenti ai quali dedicherò altri post.

Ultima modifica ilGiovedì, 03 Novembre 2022 15:36

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