L’idrogeno è un elemento fondamentale nell’industria chimica e sta guadagnando sempre più attenzione come potenziale fonte di energia pulita. Oltre alla sua importanza come materia prima, esistono diversi tipi di idrogeno, classificati in base ai metodi di produzione e alle relative emissioni di carbonio. Ecco un approfondimento sui principali tipi di idrogeno: grigio, blu e verde.

Tipi di idrogeno

Idrogeno Grigio

• Produzione: L’idrogeno grigio è prodotto principalmente attraverso il processo di reforming a vapore del metano (SMR), che combina metano e vapore acqueo ad alta temperatura. Questo processo genera anche anidride carbonica (CO₂) come sottoprodotto.
• Impatto Ambientale: Questo tipo di idrogeno è associato a elevate emissioni di carbonio, poiché non prevede alcun sistema di cattura delle emissioni. Pertanto, contribuisce significativamente al cambiamento climatico.
• Il gas naturale rappresenta la fonte principale, contribuendo a circa il 75% della produzione totale. 

Idrogeno Blu

• Produzione: L’idrogeno blu viene anch’esso prodotto tramite il reforming a vapore del metano, ma con l’aggiunta di tecnologie per la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS). Questo processo consente di ridurre le emissioni di CO₂ che altrimenti verrebbero rilasciate nell’atmosfera.
• Impatto Ambientale: Sebbene l’idrogeno blu riduca le emissioni di carbonio rispetto all’idrogeno grigio, il suo utilizzo è ancora legato all’uso di combustibili fossili, il che può limitare il suo potenziale come soluzione completamente sostenibile.

Idrogeno Verde

• Produzione: L’idrogeno verde è prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, un processo che utilizza elettricità da fonti rinnovabili (come solare o eolico) per separare l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo metodo non genera emissioni di carbonio.
• Impatto Ambientale: L’idrogeno verde è considerato la forma più sostenibile di idrogeno, poiché la sua produzione non comporta l’uso di combustibili fossili e non genera emissioni di gas serra. Tuttavia, la tecnologia di elettrolisi richiede ancora investimenti significativi e infrastrutture adeguate per essere implementata su larga scala.
• Secondo le previsioni, la produzione di idrogeno pulito potrebbe raggiungere fino a 38 milioni di tonnellate entro il 2030.

In sintesi, la produzione di idrogeno può avvenire attraverso diversi metodi, ognuno con impatti ambientali distinti. L’idrogeno grigio è il meno sostenibile, mentre l’idrogeno blu rappresenta un passo verso la riduzione delle emissioni, sebbene sia ancora legato ai combustibili fossili. L’idrogeno verde, infine, offre il potenziale di una produzione completamente sostenibile e a zero emissioni, rappresentando una soluzione chiave per il futuro energetico. Questa classificazione aiuta a comprendere le opportunità e le sfide associate all’uso dell’idrogeno come fonte di energia e materia prima nell’industria chimica e oltre.

Impieghi dell’idrogeno

L’idrogeno viene utilizzato nella produzione di due importanti composti chimici industriali: l’ammoniaca e il metanolo. Viene anche utilizzato nella raffinazione del petrolio, ad esempio nella reazione di reforming catalitico. Il reforming catalitico è un processo utilizzato per ottenere benzina di alta qualità e per rimuovere i composti di zolfo dal petrolio che altrimenti avvelenerebbero i convertitori catalitici montati sulle automobili.

Negli anni avvenire, l’idrogeno stesso potrebbe diventare uno dei combustibili più importanti per le auto in quanto bruciandolo non produce anidride carbonica. Tuttavia ci sono grossi problemi da superare prima che l’idrogeno possa essere utilizzato come combustibile per automobili. Questi includono la produzione, lo stoccaggio, la distribuzione e il modo di aumentare l’efficacia della combustione l’idrogeno nelle auto stesse.

Produzione globale annuale d’idrogeno:

Produzione di idrogeno

Il processo di gran lunga più importante per produrre idrogeno è la reazione di reforming con vapore.

 Le fasi chiave del processo sono la conversione di un materiale contenente carbonio in una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, seguita dalla conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica e la produzione di più idrogeno.

Attualmente l’idrocarburo generalmente più utilizzato per questa reazione è il metano o altri idrocarburi leggeri ottenuti da gas naturale, petrolio o carbone. Tuttavia, vi è un crescente interesse nell’utilizzo della biomassa come delineato nella pagina sulle bioraffinerie.

Se si utilizzano idrocarburi, il gas o vapore viene miscelato con un forte eccesso di vapore e fatto passare attraverso tubi contenenti ossido di nichel (che si riduce a nichel durante la reazione), supportati su allumina, in un forno ad alte temperature:

La reazione è endotermica e accompagnata da un aumento di volume. È quindi favorita ad alte temperature e da basse pressioni parziali. La reazione è inoltre favorita da un elevato rapporto vapore/idrocarburi. Ciò aumenta la resa ma aumenta i costi di produzione (energetici). L’alto rapporto vapore/idrocarburi aiuta anche a ridurre la quantità di carbonio depositato che riduce l’efficienza del catalizzatore. Il modo più efficace per ridurre la deposizione di carbonio è l’impregnazione del catalizzatore con carbonato di potassio.

Nella seconda parte del processo, che include la reazione di spostamento, il monossido di carbonio viene convertito in anidride carbonica facendolo reagire con il vapore e producendo così più idrogeno:

Questa reazione è notevolmente esotermica e quindi le alte conversioni in anidride carbonica e idrogeno sono favorite dalle basse temperature. Questo aspetto è particolarmente difficile da controllare a causa del calore sviluppato. Per questo motivo la reazione di spostamento è comunemente suddivisa in due fasi: la maggior parte della reazione viene eseguita a circa 650 K su un catalizzatore di ferro mentre la reazione di ‘lucidatura’ condotta circa 450 K su un catalizzatore di rame/zinco/alluminio.

L’anidride carbonica e l’eventuale monossido di carbonio rimanente vengono quindi rimossi facendo passare i gas attraverso un setaccio molecolare (zeolite). Di tanto in tanto, il recipiente contenente il setaccio molecolare viene estratto dal flusso di gas e lavato con idrogeno per allontanare l’anidride carbonica e rigenerare il setaccio.

Per ottenere una produzione sostenibile (ovvero a zero emissioni di gas serra) di idrogeno, l’anidride carbonica viene catturata e immagazzinata o utilizzata.

Pertanto, complessivamente, una mole di metano e due moli di vapore vengono teoricamente convertite in quattro moli di idrogeno, sebbene questa resa teorica non venga raggiunta poiché le reazioni non vanno a compimento:

In alcuni paesi (in particolare la Cina) il metano e altri gas a base di petrolio scarseggiano e devono essere importati. Ciò ha portato a un cambiamento significativo nella scelta del carburante utilizzato nelle centrali elettriche di questi paesi: in quanto più disponibile, il carbone viene utilizzato al posto di un gas idrocarburico.

È in corso una ricerca per vedere se la biomassa può essere utilizzata efficacemente, al posto del carbone o del petrolio, per produrre idrogeno. Uno dei problemi chiave è ridurre al minimo l’energia utilizzata per raccogliere la biomassa e trasportarla nel luogo di utilizzo, il che può comportare l’uso di fonti energetiche non rinnovabili. I costi finanziari e ambientali possono essere elevati, rispetto ai risparmi nel passaggio da risorse non rinnovabili alla biomassa.

Il futuro: “L’auto a idrogeno”

L’idrogeno è considerato un carburante estremamente attraente dal punto di vista ambientale. La combustione dell’idrogeno per la produzione di  energia ha come unico prodotto l’acqua:

Ci sono però alcuni punti chiave da considerare:

(a) Come produrre idrogeno nel modo più “verde” possibile.

(b) Come utilizzare il gas in modo efficiente per produrre energia.

(a) Produzione di idrogeno

L’idrogeno, come discusso sopra, viene prodotto su larga scala da combustibili fossili (gas naturale, carbone) che hanno come sottoprodotto l’anidride carbonica, uno dei principali gas serra.

La via più ovvia per produrre idrogeno è invertendo il processo di combustione dell’idrogeno per produrre acqua, ovvero l’elettrolisi dell’acqua. La reazione è:

Tuttavia, questo richiede elettricità dalle centrali elettriche. Se la centrale utilizza combustibili fossili, vanifica lo scopo, ovvero produrre un combustibile senza la produzione di anidride carbonica. Altre forme di generazione di energia, come il nucleare, l’eolico e il geotermico, non hanno questo svantaggio ma queste vie non sono prontamente disponibili in qualsiasi paese.

Qualsiasi sia la via di produzione dell’idrogeno, distribuire il gas in modo economico ma rispettoso dell’ambiente è problematico.

Nella rete di approvvigionamento esistente, l’idrogeno viene consegnato sotto pressione (come idrogeno liquido o come idrogeno gassoso compresso) alle stazioni di rifornimento di idrogeno da autocisterne appositamente costruite e quindi trasferito in serbatoi di stoccaggio. Un metodo alternativo e più pulito è tramite un gasdotto. Attualmente esistono piccole reti di questo tipo in Germania, Paesi Bassi e California. Queste vengono utilizzate per fornire idrogeno direttamente dal punto di produzione.

Sono in fase di sviluppo unità di rifornimento di idrogeno che producono idrogeno in situ. Entro la fine del 2016, si prevede che ci saranno diverse centinaia simili siti di rifornimento negli Stati Uniti, in Germania, Giappone e Regno Unito che saranno in grado di fornire idrogeno a un’auto a pressioni comprese tra 350 e 700 atmosfere.

Come notato sopra, ci sono difficoltà pratiche nella distribuzione e nello stoccaggio dell’idrogeno. Un approccio potrebbe essere quello di convertire un carburante liquido in idrogeno, in situ nell’auto. Ad esempio, il metanolo è stato utilizzato nelle auto sperimentali. Il carburante è stato convertito in idrogeno e anidride carbonica mediante una reazione di reforming, simile al processo descritto sopra per la produzione su larga scala di idrogeno. Ciò richiede un livello molto elevato di competenze ingegneristiche per produrre unità di conversione che siano abbastanza leggere per un’auto ma abbastanza robuste da sopportare tutti i problemi causati dalle vibrazioni continue.

Viene inoltre intrapresa un’enorme quantità di ricerche sull’utilizzo della luce solare come fonte di energia, una delle quali è tramite biofotolisi.

Ciò comporta la produzione di alghe in acqua attraverso la fotosintesi, seguita dalla decomposizione batterica delle alghe per produrre idrogeno. Una scoperta importante è stata che privando le alghe di zolfo si inibisce la normale fotosintesi e si attiva invece un enzima e alla luce si produce idrogeno, non ossigeno. La ricerca attuale si occupa di rendere questi processi più efficienti.

(b) Come utilizzare l’idrogeno nei motori per produrre energia in modo efficiente.

In una stazione di rifornimento a idrogeno, il carburante a idrogeno viene trasferito in sicurezza all’auto alimentata a idrogeno per mezzo di un ugello appositamente progettato.

L’idrogeno potrebbe essere bruciato in un motore in modo simile alla benzina, il gas che brucia nell’aria per rilasciare energia. Sebbene vi sia un vantaggio rispetto all’uso di un idrocarburo poiché non viene prodotta anidride carbonica, si formerebbero comunque ossidi di azoto dannosi, dalla reazione di azoto e ossigeno nel motore caldo.

Tuttavia, in una cella a combustibile, l’idrogeno reagisce con l’ossigeno senza bruciare. L’energia rilasciata viene utilizzata per generare elettricità, che viene utilizzata per azionare un motore elettrico. Si tratta di un sistema più rispettoso dell’ambiente e negli ultimi decenni sono state condotte molte ricerche da chimici e ingegneri per produrre celle a combustibile molto efficienti in cui circa la metà dell’energia dalla reazione tra idrogeno e ossigeno per produrre acqua viene rilasciata come potenziale elettrico.

Una di queste celle a combustibile è la cella PEM, dove PEM sta per Proton Exchange Membrane o Polymer Electrolyte Membrane.

Tutti i veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) utilizzano idrogeno puro come carburante che viene immagazzinato in serbatoi a pressione principalmente a 700 atmosfere e un flusso di idrogeno puro viene erogato all’anodo su un lato di una membrana, che consente il movimento dei cationi ma non lo fa conducono anioni o elettroni. Uno di questi materiali è un copolimero di un tetrafluoroetene solfonato (tetrafluoroetilene), che incorpora gruppi perfluoroetenil (perfluorovinil) etere terminati con gruppi solfonato su uno scheletro tetrafluoroetenico. Gli ioni H + sono in grado di passare attraverso la membrana mentre il protone sui gruppi -SO₃H (acido solfonico) “salta” da un sito acido all’altro.

Quindi, si formano i protoni:

Gli elettroni passano attraverso il circuito esterno dall’anodo al catodo e creano così un potenziale elettrico. I protoni permeano la membrana e reagiscono con l’ossigeno al catodo:

Entrambe le reazioni sono catalizzate dal platino. Poiché il platino è estremamente costoso, viene depositato come particelle di platino nanometriche su polvere di carbonio (Pt / C). Questa struttura fornisce un’ampia superficie di contatto al platino mentre il carbonio consente la connessione elettrica tra il catalizzatore e il resto della cella. Il platino è così efficace perché ha un’elevata attività catalitica e si lega all’idrogeno quanto basta per facilitare il trasferimento di elettroni ma non inibire l’idrogeno dal continuare a muoversi nella cellula.

I metodi più efficaci per ottenere il platino su scala nanometrica su polvere di carbonio utilizzano la deposizione di soluzioni chimiche. Le particelle di platino vengono depositate su una superficie di carbone impermeata di politetrafluoroetano (PTFE). Un secondo metodo per aumentare l’attività catalitica del platino consiste nel produrre una lega con altri metalli, come il nichel. Si pensa che ciò riduca la tendenza del platino a legarsi a specie ioniche contenenti ossigeno aumentando così il numero di siti disponibili per l’adsorbimento e facilitando la riduzione dell’ossigeno.

Le reazioni avvengono a circa 350 K e il processo viene quindi denominato “combustione fredda” in una cella a combustibile a bassa temperatura.

Altre membrane più moderne includono polimeri a base di polibenzimidazolo (PBI), stabili fino a temperature di circa 500 K. Ad alte temperature questo tipo di membrane è più efficiente e più resistenti sebbene possano esserci problemi con la loro fabbricazione.

Il polibenzimidazolo stesso è prodotto come una fibra con punto di fusione molto alto. È altamente resistente al calore e agli attacchi chimici ed è stato utilizzato con successo per realizzare un materiale utilizzato dai vigili del fuoco, astronauti e altri soggetti esposti ad incendi e ad altre possibili fonti di alte temperature.

L’uso dell’idrogeno come combustibile è soggetto a molte ricerche con continui sviluppi. Sono stati compiuti immensi progressi nello sviluppo di celle a combustibile a base di idrogeno, anch se è chiaro che l’uso di queste celle per alimentare auto convenzionali presenta sfide significative associate alla produzione dell’idrogeno e al suo trasporto, stoccaggio e distribuzione. Alcune di queste difficoltà vengono meno quando le celle vengono utilizzate per alimentare i veicoli di trasporto all’interno di un sito aziendale sufficientemente grande da produrre, immagazzinare e distribuire il proprio idrogeno ai propri veicoli.

Un altro possibile approccio è quello di convertire un carburante liquido in idrogeno, in situ nell’auto. Ad esempio, il metanolo può essere convertito in idrogeno e anidride carbonica mediante una reazione di reforming – simile al processo descritto sopra – e utilizzato in una cella a combustibile. Tuttavia nessuna casa automobilistica sta attualmente lavorando su questo tipo di sistemi di reforming per veicoli elettrici a celle a combustibile. Ciononostante, per le applicazioni stazionarie delle celle a combustibile, il reforming degli idrocarburi è una via possibile e sono investigata da diversi progetti in tutto il mondo con lo scopo di convertire il gas naturale in idrogeno all’interno di mini-reformer stazionari.

Prospettive Future

La crescente domanda di idrogeno, in particolare quello verde, è spinta dalla necessità di decarbonizzare settori difficili da elettrificare, come l’industria pesante e i trasporti. Le iniziative globali e le politiche di sostegno stanno favorendo lo sviluppo di infrastrutture e tecnologie per aumentare la produzione di idrogeno verde, con l’obiettivo di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e migliorare la sostenibilità energetica.In sintesi, la produzione di idrogeno è attualmente dominata da metodi ad alta intensità di carbonio, ma le prospettive future puntano verso un aumento significativo dell’idrogeno verde, essenziale per la transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio.

Ultimo aggiornamento 27 agosto 2024

Edizione italiana a cura di Valter Ballantini

Foto in alto di Bill Jelen su Unsplash