Le promesse dell’idrogeno come energia pulita

Se l'idrogeno probabilmente non diverrà mai una fonte energetica utile per le automobili, ci sono altre applicazioni dove potremmo vederlo presto protagonista.

Prospettive dell'idrogeno

L’importanza dell’energia eolica e solare è ormai sotto gli occhi di tutti. Anche i loro tradizionali oppositori devono oggi piegarsi alla luce di un vertiginoso abbassamento dei costi. Lo stesso potremmo dire delle batterie: il loro progresso inarrestabile e il loro costo decrescente promettono di cambiare tutto. Non solo esse consentiranno lo stoccaggio per l’energia solare ed eolica, ma forniranno una portabilità energetica economica per tutto, dai droni ai robot, dagli elettrodomestici alle biciclette e alle auto.

Fondamentalmente, la ragione per cui il solare, l’eolico e le batterie stanno cambiando il nostro mondo – e sono destinati a cambiarlo ancora di più – è che queste tecnologie hanno seguito le “curve di apprendimento”. Questo termine esprime un concetto semplice: più utilizziamo queste tecnologie più esse sono diventate sempre più economiche. E più economiche sono diventate, più abbiamo continuato ad utilizzarle.

Ramez Naam e le curve di apprendimento

L’autore e investitore futurista Ramez Naam non è stato il primo a notare l’importanza delle curve di apprendimento, ma è stato il primo a diffondere questa idea. Nel 2011 egli scrisse un post sul blog di Scientific American sostenendo che l’energia solare stava seguendo un equivalente della legge di Moore. Quattro anni dopo scrisse un post simile sulle batterie, dimostrando come stavano diventando esponenzialmente più economiche man mano che ne venivano costruite sempre di più.

Quanti avessero letto i post di Ramez e ne avessero colto il significato, sarebbero stati in grado di prevedere la rivoluzione del solare e delle batterie che stiamo vedendo oggi. Purtroppo, la maggior parte non l’ha fatto. Anno dopo anno per oltre un decennio, l’Agenzia internazionale per l’energia (IEA) ha previsto che la crescita di capacità solare si sarebbe presto fermata; Invece, essa ha continuato ad accelerare.

La quarta risorsa: l’idrogeno

In realtà, c’è una quarta tecnologia cruciale per l’energia verde che sembra seguire una curva di apprendimento: l’idrogeno verde. Il sentimento popolare è che l’idrogeno sia una tecnologia fallita. Questa opinione deriva dal fatto che le auto a idrogeno, che alcuni prevedevano avrebbero sostituito le auto a gas, si sono rivelate non molto praticabili e irte di ostacoli tecnologici. Quello che sfugge a tutte le persone che respingono l’idrogeno è che l’idrogeno può fare molte altre cose oltre ad alimentare le automobili.

L’idrogeno verde

Parleremo di questi usi alternativi tra poco, ma prima una breve nota su cosa significa “idrogeno verde”. Il modo classico di produrre idrogeno è dal metano, o CH₄. Quest’ultmo rilascia carbonio – ovvero la C presente in CH₄ – nell’atmosfera, cosa ovviamente negativa.

“Idrogeno verde”, significa produrre idrogeno facendo passare corrente elettrica attraverso l’acqua (H₂O) al fine di rompere i legami chimici e separare l’H (idrogeno) dall’O (ossigeno). Questo processo si chiama elettrolisi, e la macchina che lo fa si chiama elettrolizzatore. Naturalmente dobbiamo anche strare attenti al fatto che per essere “verde”, l’elettricità che viene utilizzata per “rompere” l’acqua ed ottenere idrogeno dovrebbe provenire da una fonte di energia verde come il solare o l’eolico.

Usi dell’idrogeno

Ci sono fondamentalmente quattro generi di cose per cui possiamo usare l’idrogeno:

  • Vari processi chimici;
  • Riscaldamento;
  • Immagazzinare energia;
  • Spostare l’energia da un posto all’altro.

Per il primo genere di applicazioni, in effetti, usiamo già adesso molto idrogeno. L’esempio più importante è la produzione di ammoniaca, che viene utilizzata per i fertilizzanti, la plastica e molte altre cose. L’ammoniaca è NH3. Otteniamo l’azoto (N) dall’aria, e tradizionalmente otteniamo l’idrogeno dalla combustione del metano – questo è il famoso processo Haber-Bosch. Ma bruciare metano, come abbiamo detto, rilascia carbonio. Quindi, al fine di decarbonizzare la nostra economia, abbiamo bisogno di sostituire questo idrogeno “sporco” con idrogeno verde, elettrolizzato da fonti rinnovabili.

La seconda cosa per cui potremmo usare l’idrogeno è il riscaldamento. Molte applicazioni industriali richiedono la produzione di intenso calore localizzato, ad esempio per fondere metalli, rompere legami chimici, per ceramiche antincendio, ecc. Attualmente, quel calore è quasi sempre fornito dalla combustione di combustibili fossili (principalmente metano), ma potremmo invece presumibilmente bruciare idrogeno.

In terzo luogo, l’idrogeno è un mezzo per immagazzinare energia nel tempo. L’energia solare è intermittente: abbiamo bisogno di poter immagazzinare l’energia prodotta durante i periodi di sole, al fine di avere elettricità in inverno. Le batterie non sono in grado di immagazzinare energia per molti mesi, quindi lo stoccaggio a lungo termine richiede altre opzioni.

Infine, la maggior parte dei veicoli funziona con combustibili fossili e questo deve cambiare. L’idrogeno ha fallito come modo di alimentare le automobili, ma potrebbe avere successo per altri veicoli come le navi.

Si noti che tutti questi usi hanno una cosa in comune: sono tutti modi di sostituire i combustibili fossili per le cose che già facciamo. Migliaia di cose nella nostra economia si basano sulla combustione di derivati del carbonio. L’idrogeno è semplicemente una sostanza chimica infiammabile che non rilascia carbonio quando lo si brucia. Quindi l’idrogeno ci permetterà di fare in modo diverso cose che già facciamo mentre le batterie, ad esempio, ci consentiranno di fare cosa che attualmente non possiamo fare.

Ma questo non significa che l’idrogeno verde sia semplicemente una tecnologia di retroguardia, un modo di sostenere la nostra economia industriale senza distruggere il pianeta. L’energia solare sta diventando così economica che l’idrogeno verde – elettrolizzato dall’energia solare – può permetterci di fare molte altre cose in modo più economico di quanto non sia mai stato prima. Potremmo ottenere fertilizzanti più economici, una produzione chimica più economica e così via. E questo renderebbe il mondo più ricco di quanto non sia mai stato prima. Possiamo quindi pensare all’idrogeno come a uno strumento che ci permetterà di sfruttare il solare a buon mercato in un mucchio di altre.

A cosa non serve l’idrogeno e a cosa potrebbe servire

C’è ancora la domanda, tuttavia, per quale di queste attività industriali l’idrogeno sarà effettivamente pratico. Ricordiamo tutti il fallimento delle auto a idrogeno. Fondamentalmente, elettrolizzare l’acqua, comprimere e raffreddare l’idrogeno gassoso e bruciare di nuovo l’idrogeno semplicemente non è un modo efficiente di usare l’energia per la mobilità. Sebbene le auto a idrogeno battano le auto elettriche (per ora) sull’autonomia e sul tempo di rifornimento, perdono praticamente su ogni altra metrica immaginabile, semplicemente a causa di questa fondamentale inefficienza.

L’idrogeno è anche piuttosto inutile per il riscaldamento delle case, per ragioni simili. Le pompe di calore elettriche sono molto, molto più efficienti. Ma ci sono molte altre cose che l’idrogeno può probabilmente fare in modo più competitivo. Il consulente per l’energia verde Michael Liebrich ha creato un’infografica molto utile su quali applicazioni abbiano più e meno probabilità di utilizzare l’idrogeno. Si chiama “scala dell’idrogeno”:

La scala dell'idrogeno di Michael Liebrich
La scala dell’idrogeno di Michael Liebrich

Come si può notare, le auto e il riscaldamento domestico si trovano verso l’estremo “non competitivo” dello scala, come ci aspettavamo. L’idrogeno verde non è la soluzione per quelle applicazioni.

La maggiornaza degli esperti ritiene che l’idrogeno sia fondamentalmente inutile per il riscaldamento degli edifici e per tutte le forme di trasporto ad eccezione delle navi. Ma, attenzione, la decarbonizzazione del trasporto marittimo non è cosa di poco conto! Quindi questa è una cosa su cui essere ottimisti. Le batterie non sono molto utili per la propulsione navale e l’altra principale alternativa “verde” sono i biocarburanti. Quindi l’idrogeno potrebbe essere molto utile in quel settore.

Un altro uso importante per l’idrogeno verde è quello di sostituire l’idrogeno sporco nella produzione di fertilizzanti e altri prodotti chimici. Come osserva Liebrich, questo è semplicemente un fatto “inevitabile” della decarbonizzazione. A breve termine, si prevede che proprio questa sarà la principale fonte di domanda di idrogeno verde.

Un’ulteriore area in cui l’idrogeno potrebbe aiutare è la generazione di calore nei processi industriali. Questi processi rappresentano una notevole quantità di emissioni di gas serra e sono ad alta intensità di combustibili fossili. Quindi questo settore deve essere decarbonizzato con massima priorità.

Liebrich, tuttavia, è sorprendentemente cauto sulle prospettive dell’idrogeno in questo settore, e scrive:

Il calore industriale a bassa e media temperatura – fino a 160 °C e forse più – sarà fornito in modo molto più economico e preciso dalle pompe di calore. Molte persone sembrano pensare che il calore industriale ad alta temperatura debba essere erogato da gas. Questo semplicemente non è vero, ci sono molti modi per fornire calore ad alta temperatura elettricamente. Per il calore ad alta temperatura a basse emissioni, sarà una lotta testa a testa tra idrogeno ed elettricità, processo per processo, impianto per impianto.

Altri esperti sono generalmente d’accordo. L’energia dell’idrogeno è meno efficiente dell’energia elettrica, ma si adatta meglio alle infrastrutture industriali esistenti (poiché attualmente utilizziamo il metano, che è anch’esso un gas). La combustione dell’idrogeno, inoltre, può anche raggiungere una temperatura più elevata rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie di riscaldamento rinnovabile. Ciò potrebbe rendere l’idrogeno la soluzione in applicazioni in cui è necessario un calore più elevato.

L’accumulo di energia a lungo termine potrebbe essere la vocazione dell’idrogeno

Tra tutte le applicazioni dell’idrogeno, la più promettente è di gran lunga lo stoccaggio di energia a lungo termine. L’energia solare è la più importante tecnologia di produzione di energia rinnovabile, ma è intrinsecamente intermittente (così come l’eolico). Questa intermittenza è un problema sia a breve termine – notte, temporali, ecc. – che a lungo termine. Le batterie possono immagazzinare bene l’energia per un breve periodo di tempo e stanno diventando più economiche e migliori ogni giorno.

Ma le batterie non sono in grado di immagazzinare energia per periodi molto lunghi. Lo stoccaggio idroelettrico pompato, la tecnologia più utilizzata attualmente, nella maggioranza dei luoghi non ha molta capacità di stoccaggio. La maggior parte delle soluzioni proposte, come l’aria compressa, sono ancora fantascienza. Molti esperti concordano sul fatto che l’idrogeno verde sta emergendo come una soluzione chiaramente promettente.

Lo stoccaggio dell’idrogeno risolve il problema dell’intermittenza del solare in modo bello ed elegante. Se poniamo un elettrolizzatore e un sito di stoccaggio di gas idrogeno vicino a un impianto solare, allora ogni volta che il sole produce più elettricità del necessario, possiamo usare questo eccesso per produrre più idrogeno. A poco a poco, un impianto solare accumulerà una riserva di idrogeno per integrarlo durante la stagione invernale.

Lo stoccaggio stagionale di energia basato sull’idrogeno – che fornirebbe anche resilienza in caso di tempeste o blackout di più giorni – ci consentirebbe di raggiungere “l’ultimo miglio” della decarbonizzazione. In combinazione con lo stoccaggio orario dalle batterie, esso potrebbe permetterci di fare completamente a meno degli impianti a combustibili fossili.

Foto di Zbynek Burival

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