Idrogeno verde

Idrogeno verde: come si produce e con quali tecniche

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Gli esseri umani hanno immagazzinato l’energia solare sin dalla prima rivoluzione energetica attraverso le piante e ora, nella terza rivoluzione energetica, abbiamo urgentemente bisogno di vettori di stoccaggio abbondanti ed economici. L’idrogeno è uno dei più popolari.

L’idrogeno verde consente di immagazzinare energia catturata direttamente dal sole attraverso celle fotovoltaiche o dal vento attraverso turbine eoliche. 

Abbiamo tutto l’idrogeno di cui abbiamo bisogno nell’acqua di mare. E ottenerlo costerebbe davvero poco… se non esistesse la più universale e basilare legge della fisica: la seconda legge della termodinamica che dice che ottenere energia concentrata è sempre difficile.

Rompere l’acqua con l’elettricità

Per ottenere l’idrogeno bastano una pila per torcia, un paio di cavi e un paio di matite, come si vede nella figura che accompagna questo paragrafo. Se al posto della batteria di una torcia abbiamo un pannello fotovoltaico o una pala eolica, possiamo ottenere quantità industriali di idrogeno. Dov’è il problema?

Schema di un esperimento per ottenere idrogeno utilizzando una batteria attaccata a due matite le cui mine di grafite fungono da elettrodi
Schema di un esperimento per ottenere idrogeno utilizzando una batteria attaccata a due matite le cui mine di grafite fungono da elettrodi. Autore fornito

È molto facile combinare idrogeno e ossigeno (bruciare idrogeno) per ottenere energia: 33,33 kWh per chilogrammo di idrogeno. In altre parole, l’energia richiesta da una cucina da 1 kW in funzione per 33,33 ore, o quella di un’auto da 66 kW in funzione a piena potenza per mezz’ora.

La separazione dell’idrogeno dall’ossigeno (cioè la rottura dell’acqua) richiede un’energia simile, ma la rottura della molecola d’acqua non è cosi semplice. Per raggiungere questo obiettivo, le piante svolgono la fotosintesi, uno dei processi biochimici più complessi in natura. E noi lo facciamo con l’elettricità.

L’elettricità nell’acqua provoca la rottura della molecola d’acqua, ma solo agli elettrodi (la matita nel nostro esperimento) e lo fa molto lentamente.

La velocità teorica di produzione di idrogeno in una cella elettrolitica a fogli (catodo e anodo) con una superficie di 1 m² e una densità di corrente di circa 2.000 A/m² immessa nell’acqua è di 72 g/h. Pertanto, in 6 ore verrebbero prodotti 432 grammi o 14,4 kWh.

Nel caso di utilizzo dell’energia solare, se consideriamo un’efficienza del 100% nella conversione dell’elettricità in idrogeno e una produzione di 1,2 kWh/m² nelle 6 ore di sole in cui lavora un pannello fotovoltaico di 1 m², avremmo bisogno di 12 pannelli per produrre quei 432 grammi di idrogeno verde.

Attuali processi di produzione dell’idrogeno verde

Per produrre idrogeno, le molecole d’acqua sono disposte sulla superficie dei catalizzatori agli elettrodi di un elettrolizzatore o di una cella. I catalizzatori sono costituiti da metalli come platino e ossidi di nichel. Le interazioni degli elettroni di questi metalli con le singole molecole d’acqua su quelle superfici riescono a rompere i forti legami tra idrogeno e ossigeno.

C’è molta ricerca su processi molto diversi e possibili catalizzatori, ma ci sono due tecnologie oggi più utilizzate e che molto probabilmente utilizzeremo fino al 2050: batterie o celle alcaline (solitamente acqua salata) e batterie basate su una membrana polimerica (PEM) scambio protonico (idrogeno ionizzato) in ambiente acido.

Batterie alcaline

Il caso alcalino è il più economico, in quanto i catalizzatori possono essere nichel o cobalto. 

Se vogliamo efficienze superiori al 50%, abbiamo bisogno di correnti inferiori a 2.000 ampere per metro quadrato (A/m²). Poiché efficienze più elevate implicano correnti di elettrodo inferiori, efficienze più elevate implicano velocità di produzione inferiori.

Secondo una formula di Faraday, il tasso di produzione di idrogeno (in moli) è pari alla corrente elettrica per metro quadro di piastra catalitica, moltiplicata per l’area della piastra in metri quadrati, e divisa per due per la costante di Faraday. È il calcolo necessario per calcolare la produttività in moli al secondo.

L’equilibrio tra efficienza e produttività viene raggiunto per 1.950 A/m² con un’efficienza di circa il 52%.

Batterie a membrana polimerica

Nel caso della membrana polimerica, il mezzo in cui si trovano gli elettrodi è acido, e quindi i catalizzatori devono essere metalli nobili, resistenti agli acidi, e più costosi, come platino, iridio e titanio. In questo caso il rendimento standard è del 60%.

Di recente è stata proposta un’altra tecnologia: l’elettrolisi ad alte prestazioni, un sistema capillare i cui scopritori dicono che può raggiungere il 90% di efficienza, ma è in fase di sperimentazione, ancora lontana dall’uso industriale.

Di quanta energia solare abbiamo bisogno?

Una lastra fotovoltaica di un metro quadrato produce più o meno 5 ampere a circa 40 volt, cioè una potenza di 0,2 kW all’ora. In 6 ore produce 1,2 kWh. Se trasformiamo la tensione a 1,30 volt (il minimo per l’elettrolisi), la corrente sale a 153 ampere. I 12 pannelli fotovoltaici di un metro quadrato di cui sopra genererebbero 1.950 A/m². Questo, in teoria.

Se andiamo in laboratorio, un lavoro molto coscienzioso, e rappresentativo di molti altri, è stato svolto da Gül e Akyüz dell’Università di Balikesir (Turchia) nel 2020. Nel loro studio hanno ottenuto 4,5 kg di idrogeno verde all’anno utilizzando due pannelli fotovoltaici da 0,2 kW di potenza ciascuno. Durante tutto l’anno l’energia elettrica prodotta dalle piastre è stata di 557 kWh, molto inferiore all’energia possibile se le piastre avessero lavorato con 0,2 kW 6 ore al giorno, 365 giorni all’anno. I 4,5 kg di H₂ servirebbero a produrre 150 kWh di energia. La resa in laboratorio è quindi del 27%, più o meno la metà della resa teorica.

Queste prestazioni possono essere migliorate, ma poco, poiché i catalizzatori sono quello che sono e sia i processi fotovoltaici che quelli di elettrolisi sono complessi. I processi industriali sono sempre molto meno efficienti di quelli svolti in laboratorio e, quindi, dei processi teorici. La realtà non è mai ideale.

Quanto ai prezzi, attualmente oscillano tra i 2 e i 5 euro per kg di idrogeno verde in elettrolisi. Il prezzo al kWh ricavato dall’idrogeno è di 0,06 euro, mentre quello della benzina o del gasolio all’uscita della raffineria è di 0,03 euro. Se il costo dell’idrogeno scendesse a 1 euro al kg, il suo prezzo equivarrebbe a quello della benzina.

Al momento tutto è ancora utopico. Ma non abbiamo tempo per lasciare le cose per dopo. Rischiamo, non la nostra vita, ma il nostro modo di vivere, la nostra cultura.