Come si Produce Energia dall’Idrogeno?

Che cos'è l'Idrogeno e Come Produce Energia?

Visto che nel prossimo futuro l’idrogeno si delineerà sempre di più come il partner ideale di fonti di energia rinnovabile come il solare e l’eolico, vediamo esattamente che cos’è l’idrogeno e come si produce energia dall’idrogeno.

L’idrogeno è l’elemento chimico più abbondante e più leggero dell’universo e contiene più energia per unità di massa rispetto al gas naturale o alla benzina, il che lo rende attraente come carburante per i trasporti. Tuttavia, ha una bassa densità di energia per unità di volume. Ciò significa che devono esserci maggiori volumi di idrogeno per soddisfare le stesse richieste di energia rispetto ad altri combustibili. Ciò può essere ottenuto, ad esempio, mediante l’uso di condutture più grandi o più veloci e serbatoi di stoccaggio più grandi.
L’idrogeno può essere compresso, liquefatto o trasformato in combustibili a base di idrogeno che hanno una densità energetica maggiore. Questa trasformazione, però, utilizza una certa energia.

Che cos'è l'Idrogeno e Come Produce Energia?
Proprietà fisiche dell’idrogeno

Come viene prodotto e utilizzato l’idrogeno oggi?

La stragrande maggioranza dell’idrogeno prodotto oggi proviene da combustibili fossili e circa il 60% di esso si produce in impianti di produzione di idrogeno “dedicati”. Ciò significa che l’idrogeno è il loro prodotto principale. La maggior parte di questo è prodotto dal gas naturale, anche se alcuni provengono dal carbone e una piccola frazione proviene dall’elettrolisi dell’acqua (un processo che produce idrogeno dall’acqua e dall’elettricità). Un terzo dell’offerta globale è l’idrogeno come “sottoprodotto”, il che significa che proviene da strutture e processi progettati principalmente per produrre qualcos’altro. Questo sottoprodotto di idrogeno richiede spesso la disidratazione o altri tipi di pulizia e può quindi essere inviato a una varietà di processi e strutture che utilizzano l’idrogeno.

La maggior parte dell’idrogeno viene attualmente prodotto vicino al suo utilizzo finale, utilizzando risorse estratte nello stesso paese.
Nel complesso, meno dello 0,7% dell’attuale produzione di idrogeno proviene da fonti rinnovabili o da impianti a combustibili fossili dotati di CCUS (Carbon capture, utilization and storage). In totale, la produzione di idrogeno oggi è responsabile di 830 MtCO2 all’anno. In generale, la domanda di idrogeno puro fornito da strutture dedicate è la più semplice da sostituire con fonti alternative di idrogeno a basse emissioni di carbonio.

Cosa significa essere un vettore energetico chimico e non una fonte di energia?

L’idrogeno non è una fonte di energia ma un vettore di energia, il che significa che il suo ruolo potenziale ha somiglianze con quello dell’elettricità. Sia l’idrogeno che l’elettricità possono essere prodotti da varie fonti e tecnologie energetiche. Entrambi sono versatili e possono essere utilizzati in molte applicazioni diverse. Nessun gas serra, particolato, ossido di zolfo o ozono troposferico si producono dall’uso di idrogeno o elettricità. Se l’idrogeno viene utilizzato in una cella a combustibile, non emette altro che acqua. Tuttavia, sia l’idrogeno che l’elettricità possono avere un’elevata intensità di CO2 a monte se prodotti da combustibili fossili come carbone, petrolio o gas naturale. Questo svantaggio può essere superato solo utilizzando le energie rinnovabili o il nucleare come input energetico iniziale o dotando gli impianti di combustibili fossili di CCUS.

Quali sono le differenze tra idrogeno ed elettricità?

La differenza cruciale tra l’idrogeno e l’elettricità è che l’idrogeno è un vettore energetico chimico, composto da molecole e non solo da elettroni. Questa distinzione è alla base di tutte le ragioni del perché l’idrogeno potrebbe superare l’elettricità in alcune situazioni (e viceversa). L’energia chimica è attraente perché può essere immagazzinata e trasportata in modo stabile, come avviene oggi con petrolio, carbone, biomasse e gas naturale. Le molecole possono essere immagazzinate per lunghi periodi, trasportate attraverso il mare su navi, bruciate per produrre alta temperature e utilizzati nelle infrastrutture esistenti e nei modelli di business progettati intorno ai combustibili fossili.

A causa della sua natura molecolare, l’idrogeno può anche essere combinato con altri elementi come il carbonio e l’azoto per produrre combustibili a base di idrogeno che sono più facili da gestire e possono essere utilizzati come materia prima nell’industria, contribuendo a ridurre le emissioni. Senza l’idrogeno un sistema energetico decarbonizzato basato sull’elettricità sarebbe molto più basato sul flusso. I sistemi energetici basati sul flusso devono far corrispondere la domanda e l’offerta in tempo reale, devono percorrere grandi distanze e possono essere vulnerabili a interruzioni dell’approvvigionamento. L’energia chimica può aggiungere un elemento basato sulle scorte a un’economia energetica e quindi contribuire in modo significativo alla resilienza del sistema energetico.

L’efficienza energetica

Tutti i vettori energetici, compresi i combustibili fossili, subiscono perdite di efficienza ogni volta che vengono prodotti, convertiti o utilizzati. Nel caso dell’idrogeno, queste perdite possono accumularsi in diverse fasi della catena del valore. Dopo aver convertito l’elettricità in idrogeno, la spedizione e lo stoccaggio, la successiva riconversione in elettricità in una cella a combustibile, l’energia erogata può essere inferiore al 30% di quella che era nell’input di elettricità iniziale. Ciò rende l’idrogeno più “costoso” dell’elettricità o del gas naturale utilizzato per produrlo.

Detto questo, in assenza di vincoli all’approvvigionamento energetico e fintanto che le emissioni di CO2 sono valutate, l’efficienza può essere in gran parte una questione economica, da considerare a livello dell’intera catena del valore. Ciò è importante poiché l’idrogeno può essere utilizzato con un’efficienza molto più elevata in determinate applicazioni e ha il potenziale per essere prodotto senza emissioni di gas serra. Ad esempio, una cella a combustibile a idrogeno in un veicolo ha un’efficienza di circa il 60%, mentre un motore a combustione interna a benzina è efficiente di circa il 20% e una moderna centrale elettrica a carbone è efficiente di circa il 45%, con perdite sulla linea elettrica che rappresentano un ulteriore 10% o più.

Qual è la differenza tra idrogeno e combustibili e materie prime a base di idrogeno?

L’idrogeno può essere utilizzato nella sua forma pura come vettore energetico o come materia prima industriale.
Può anche essere combinato con altri input per produrre quelli che vengono definiti combustibili e materie prime a base di idrogeno. I combustibili e le materie prime a base di idrogeno possono essere prodotti utilizzando l’idrogeno da qualsiasi fonte, che sia elettricità, biomassa o combustibili fossili, e possono essere facilmente utilizzati in applicazioni come motori, turbine e processi chimici. Includono prodotti derivati come metano sintetico, combustibili liquidi sintetici e metanolo, che richiedono tutti carbonio insieme all’idrogeno. Includono anche l’ammoniaca, che può essere utilizzata come materia prima chimica o potenzialmente come combustibile, e che si ottiene combinando l’idrogeno con l’azoto.

La produzione e l’uso di combustibili a base di idrogeno e idrogeno e materie prime generano domanda di idrogeno e possono tutti contribuire alla sicurezza energetica e alla decarbonizzazione, sebbene diversi percorsi di produzione avranno intensità di CO2 diverse.
Power-to-X è un termine comunemente usato per la conversione dell’elettricità in altri vettori energetici o sostanze chimiche, generalmente attraverso l’idrogeno prodotto dall’elettrolisi dell’acqua. La “X” può indicare qualsiasi combustibile, prodotto chimico, energia o calore risultante. Ad esempio, power-to-gas si riferisce alla produzione di idrogeno elettrolitico stesso o metano sintetico prodotto da idrogeno elettrolitico combinato con CO2. Allo stesso modo, power-to-liquid si riferisce alla produzione di idrogeno combustibili liquidi. Insieme, i combustibili a base di idrogeno che integrano l’idrogeno elettrolitico sono a volte indicati come “combustibili elettrici”. Nel caso molto specifico di energia da energia solare, combustibili solari.

Perché alcune persone parlano di idrogeno nero, blu, marrone, verde e grigio ?

Negli ultimi anni, i colori sono stati usati per riferirsi a diverse fonti di produzione di idrogeno.
“Nero”, “grigio” o “marrone” si riferiscono alla produzione di idrogeno rispettivamente da carbone, gas naturale e lignite. Il “blu” è comunemente utilizzato per la produzione di idrogeno da combustibili fossili con emissioni di CO2 ridotte grazie all’uso di CCUS. “Verde” è un termine applicato alla produzione di idrogeno da elettricità rinnovabile. In generale, non ci sono colori stabiliti per l’idrogeno da biomassa, nucleare o diverse varietà di elettricità di rete.

Quali sono le considerazioni sulla salute e la sicurezza?

Come altri vettori energetici, l’idrogeno presenta alcuni rischi per la salute e la sicurezza se utilizzato su larga scala. Considerazioni sulla sicurezza e incidenti possono rallentare, o addirittura impedire, l’implementazione di un nuova tecnologia energetica se i rischi non sono ben comunicati e gestiti. CCUS è un esempio lampante e anche le batterie agli ioni di litio hanno dovuto affrontare preoccupazioni. D’altra parte, gli impatti sulla salute e sulla sicurezza dei prodotti energetici consolidati – benzina, diesel, gas naturale, elettricità, carbone – per i consumatori sono familiari e raramente messi in discussione. Ciò dimostra che i rischi – tra cui infiammabilità, presunta cancerogenicità e tossicità – possono essere gestiti per la soddisfazione degli utenti.


Essendo un gas leggero di piccole molecole, l’idrogeno richiede attrezzature e procedure speciali per gestirlo. L’idrogeno è così piccolo che può diffondersi in alcuni materiali, inclusi alcuni tipi di tubi di ferro e acciaio, e aumentare le loro possibilità di guasto. Inoltre sfugge più facilmente attraverso guarnizioni e connettori rispetto a molecole più grandi, come il gas naturale.

I problemi dell’idrogeno

L’idrogeno è un gas non tossico, ma la sua elevata velocità di fiamma, l’ampio intervallo di accensione e la bassa energia di accensione lo rendono altamente infiammabile. Ciò è in parte mitigato dalla sua elevata galleggiabilità e diffusività, che lo fa dissipare rapidamente. Ha una fiamma che non è visibile ad occhio nudo ed è incolore e inodore, rendendo più difficile per le persone rilevare incendi e perdite. Esistono già molti decenni di esperienza nell’utilizzo dell’idrogeno a livello industriale, anche in grandi condutture di distribuzione dedicate. I protocolli per la manipolazione sicura in questi siti sono già in atto e esistono anche per le infrastrutture di rifornimento di idrogeno in forme site-specific. Tuttavia, rimangono complessi e poco familiari rispetto a quelli di altri vettori energetici. Un uso diffuso porterebbe nuove sfide.

Ammoniaca e LOHC

Le considerazioni sulla salute e la sicurezza della maggior parte dei combustibili e delle materie prime a base di idrogeno sono familiari al settore energetico. Le eccezioni sono l’ammoniaca e i trasportatori di idrogeno organico liquido (LOHC), che solo di recente sono stati seriamente presi in considerazione per un potenziale utilizzo nel sistema energetico. L’ammoniaca è altamente tossica, infiammabile, corrosiva e fuoriesce da perdite in forma gassosa. Tuttavia, a differenza dell’idrogeno, ha un odore pungente, che rende le perdite più facili da rilevare. È anche un precursore dell’inquinamento atmosferico.

Come l’idrogeno, esiste una lunga esperienza nell’uso industriale dell’ammoniaca. È stato utilizzato come refrigerante dall’inizio del XIX secolo ed è stato utilizzato anche nella produzione di fertilizzanti su larga scala per oltre un secolo. L’ammoniaca viene regolarmente immagazzinata e trasportata, anche nelle petroliere oceaniche, e talvolta viene iniettato direttamente nel suolo in agricoltura. Il metilcicloesano, un potenziale candidato LOHC, è infiammabile e pericoloso da ingerire e la sua produzione richiede toluene (che è tossico), ma come liquido, il metilcicloesano è meno pericoloso rispetto ai gas, che possono essere inalati. Il dibenziltoluene è considerato un’opzione LOHC alternativa ed è più sicuro. Nessuno dei due è attualmente gestito in quantità molto grandi, tranne in impianti chimici specifici, ma non si ritiene che la manipolazione sicura nelle condutture o nelle navi rappresenti un problema di sicurezza significativo con i controlli appropriati in atto.

Fonte (The Future of Hydrogen-IEA)

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Domenico Buoniconti

Domenico Buoniconti

Astrofisico ed ecologo, studio con grande passione le energie rinnovabili per avere, giorno dopo giorno, un quadro sempre più chiaro del mercato energetico e di tutte le tecnologie pronte ad imporsi nel prossimo futuro.
Domenico Buoniconti

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Astrofisico ed ecologo, studio con grande passione le energie rinnovabili per avere, giorno dopo giorno, un quadro sempre più chiaro del mercato energetico e di tutte le tecnologie pronte ad imporsi nel prossimo futuro.

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