Come produrre energia dall’idrogeno

Le celle a combustibile a idrogeno producono elettricità combinando atomi di idrogeno e ossigeno. L’idrogeno reagisce con l’ossigeno attraverso una cella elettrochimica simile a quella di una batteria per produrre elettricità, acqua e piccole quantità di calore. Sono disponibili molti tipi diversi di celle a combustibile per un’ampia gamma di applicazioni. Piccole celle a combustibile possono alimentare computer portatili e persino telefoni cellulari e applicazioni militari. Le grandi celle a combustibile possono fornire elettricità per il backup o alimentazione di emergenza negli edifici e fornire elettricità in luoghi non collegati alle reti elettriche.

L’impiego dell’idrogeno

L’idrogeno è un combustibile pulito che, se consumato in una cella a combustibile, produce solo acqua. L’idrogeno può essere prodotto da una varietà di risorse domestiche, come il gas naturale, l’energia nucleare, la biomassa e l’energia rinnovabile come il solare e l’eolico. Queste qualità lo rendono un’interessante opzione di carburante per applicazioni di trasporto e generazione di elettricità. Può essere utilizzato nelle automobili, nelle case, per l’alimentazione portatile e in molte altre applicazioni.

Con circa 10 milioni di tonnellate di idrogeno attualmente prodotto nei soli Stati Uniti ogni anno, la domanda primaria di idrogeno oggi è per la raffinazione del petrolio e la produzione di ammoniaca. Tuttavia, l’idrogeno può essere utilizzato in più settori per consentire emissioni zero o quasi zero in altri processi chimici e industriali, sistemi energetici puliti integrati e trasporti. I mercati emergenti dell’idrogeno all’interno di questi settori includono data center, porti, produzione di acciaio e autocarri medi e pesanti.

L’idrogeno è un vettore energetico che può essere utilizzato per immagazzinare, spostare e fornire energia prodotta da altre fonti. L’idrogeno è generalmente considerato un vettore energetico, come l’elettricità, poiché deve essere prodotto da una fonte di energia primaria come l’energia solare, la biomassa, l’elettricità (ad esempio sotto forma di solare fotovoltaico o tramite turbine eoliche) o gli idrocarburi come il gas naturale o carbone.

La produzione dell’idrogeno

Le celle a combustibile rappresentano la scelta più interessante per la conversione dell’energia dall’idrogeno direttamente all’elettricità, grazie alla loro elevata efficienza, alla bassa rumorosità e al numero limitato di parti mobili. Le celle a combustibile sono interessanti per la generazione di energia sia fissa che mobile dall’idrogeno. Le celle a combustibile sono spesso considerate parte del sistema di propulsione di un veicolo.

L’utilizzo di una cella a combustibile per alimentare un gruppo propulsore elettrificato che include una batteria e un motore elettrico è da due a tre volte più efficiente rispetto all’utilizzo di un motore a combustione, sebbene alcuni di questi vantaggi siano correlati al gruppo propulsore elettrificato (ad esempio, frenata rigenerativa inclusa). Ciò significa che è disponibile un risparmio di carburante molto maggiore utilizzando l’idrogeno in una cella a combustibile, rispetto a quello di un motore a combustione di idrogeno.

La produzione convenzionale di idrogeno mediante gas naturale induce impatti ambientali significativi; come con l’uso di qualsiasi idrocarburo, viene emessa anidride carbonica. Allo stesso tempo, l’aggiunta del 20% di idrogeno (una quota ottimale che non incide sui tubi e sugli apparecchi del gas) al gas naturale può ridurre le emissioni di CO2 dovute al riscaldamento e alla cottura.

Oggi, il combustibile a idrogeno può essere prodotto attraverso diversi metodi. I metodi più comuni oggi sono il reforming del gas naturale (un processo termico) e l’elettrolisi. Altri metodi includono processi solari e biologici. Vediamoli più in dettaglio.

I processi termici

I processi termici per la produzione di idrogeno comportano tipicamente il reforming del vapore, un processo ad alta temperatura in cui il vapore reagisce con un combustibile idrocarburico per produrre idrogeno. Molti combustibili idrocarburici possono essere riformati per produrre idrogeno, inclusi gas naturale, diesel, combustibili liquidi rinnovabili, carbone gassificato o biomassa gassificata. Oggi, circa il 95% di tutto l’idrogeno è prodotto dal reforming a vapore del gas naturale.

I processi elettrolitici

L’acqua può essere separata in ossigeno e idrogeno attraverso un processo chiamato elettrolisi. I processi elettrolitici avvengono in un elettrolizzatore, che funziona in modo molto simile a una cella a combustibile al contrario: invece di utilizzare l’energia di una molecola di idrogeno, come fa una cella a combustibile, un elettrolizzatore crea idrogeno dalle molecole d’acqua.

La produzione di idrogeno tramite elettrolisi può offrire opportunità di sinergia con la generazione di energia dinamica e intermittente, caratteristica di alcune tecnologie di energia rinnovabile. Ad esempio, sebbene il costo dell’energia eolica abbia continuato a diminuire, la variabilità intrinseca del vento è un impedimento all’uso efficace dell’energia eolica.

Il combustibile a idrogeno e la generazione di energia elettrica potrebbero essere integrati in un parco eolico, consentendo la flessibilità di spostare la produzione per abbinare al meglio la disponibilità delle risorse con le esigenze operative del sistema e i fattori di mercato. Inoltre, in tempi di produzione di elettricità in eccesso dai parchi eolici, invece di ridurre l’elettricità come si fa comunemente, è possibile utilizzare questa elettricità in eccesso per produrre idrogeno attraverso l’elettrolisi.

L’elettricità della rete odierna non è la fonte ideale di elettricità per l’elettrolisi perché la maggior parte dell’elettricità viene generata utilizzando tecnologie che producono emissioni di gas serra e sono ad alta intensità energetica. La generazione di elettricità utilizzando tecnologie energetiche rinnovabili o nucleari, sia separata dalla rete, sia come una porzione crescente del mix di rete, è una possibile opzione per superare queste limitazioni per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi.

I processi ad energia solare

I processi a energia solare utilizzano la luce come agente per la produzione di idrogeno. Ci sono alcuni processi guidati dal sole, inclusi fotobiologico, fotoelettrochimico e solare termochimico. I processi fotobiologici utilizzano l’attività fotosintetica naturale di batteri e alghe verdi per produrre idrogeno. I processi fotoelettrochimici utilizzano semiconduttori specializzati per separare l’acqua in idrogeno e ossigeno. La produzione di idrogeno termochimico solare utilizza l’energia solare concentrata per guidare le reazioni di scissione dell’acqua spesso insieme ad altre specie come gli ossidi metallici.

I processi biologici

I processi biologici utilizzano microbi come batteri e microalghe e possono produrre idrogeno attraverso reazioni biologiche. Nella conversione della biomassa microbica, i microbi scompongono la materia organica come la biomassa o le acque reflue per produrre idrogeno, mentre nei processi fotobiologici i microbi utilizzano la luce solare come fonte di energia.