Una scoperta offre all’idrogeno una nuova chance

Scoperta, nel sottosuolo del nord est della Francia, quella che sembra la più grande riserva di idrogeno naturale al mondo. Secondo le prime stime potrebbe coprire il fabbisogno globale per due anni. La scoperta, da parte di ricercatori dell’Università della Lorena, potrebbe aprire nuove prospettive su una fonte d’energia pulita.

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L’elemento più abbondante dell’universo

Il sole e le stelle sono fatti essenzialmente d’idrogeno. L’acqua è composta da idrogeno e ossigeno. E qualcuno forse ricorderà lo show di un certo attore che si sdraiò in diretta sotto lo scappamento di un furgone per bere i residui della combustione. Trattandosi di un motore a idrogeno, quei residui erano acqua. Con qualche parte, speriamo trascurabile, di lubrificanti. A distanza di tanti anni, soprattutto in Italia, c’è chi si domanda perché una fonte di energia così abbondante, e con una tecnologia sostanzialmente già pronta, non abbia soppiantato i combustibili fossili. Uno dei problemi principali dell’idrogeno è la sua scarsa disponibilità. Allo stato libero e molecolare l’idrogeno (H₂) è un gas volatile che tende a fuggire verso gli strati più alti dell’atmosfera. Come elemento composto è presente nell’acqua, ma per quanto l’acqua possa sembrare un serbatoio d’idrogeno inesauribile, estrarre idrogeno dall’acqua è estremamente svantaggioso dal punto di vista energetico. Tanto che per il 95% viene estratto dal gas naturale, con costi minori e un bilancio energetico più favorevole. Purtroppo l’estrazione dell’idrogeno dagli idrocarburi comporta l’emissione di anidride e monossido di carbonio come prodotti secondari. Nella produzione di idrogeno blu questi due gas serra andrebbero catturati e stoccati nel sottosuolo con tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS). Si parla di idrogeno verde quando viene estratto dall’acqua tramite cianobatteri, un procedimento lento, costoso e non adatto alla produzione industriale, oppure tramite elettrolisi, a patto che l’energia utilizzata nel procedimento provenga da fonti rinnovabili e non comporti emissioni di carbonio. Su quest’ultimo procedimento esistono legittime obiezioni giustificate dal saldo energetico negativo. Anche se l’elettrolisi non comporta emissione di carbonio, con la stessa energia impiegata per produrre idrogeno si possono alimentare direttamente motori elettrici con una efficienza assai maggiore in termini energia al consumo. In questo scenario, la scoperta di un enorme giacimento in Francia rimette in gioco l’idrogeno come fonte d’energia pulita.

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Una scoperta casuale

Gli scienziati dell’Università della Lorena stavano, neanche a dirlo, esplorando riserve di gas naturale nella zona, una regione storicamente carbonifera, quando si sono imbattuti nella riserva di idrogeno. E non una qualsiasi: a 1000 di profondità si stima ce ne siano dai 46 ai 250 milioni di tonnellate. Quanto basta per soddisfare l’attuale consumo globale per due anni. Un regalo della natura, o meglio delle rocce ferrose, che in un sottosuolo particolarmente acido hanno estratto, e continuano a farlo, idrogeno dall’acqua con un processo naturale. Secondo i ricercatori la riserva è in grado di rinnovarsi autonomamente ed è probabile che ce ne siano molte altre, delle stesse dimensioni (se non maggiori) sparse nel mondo a cominciare dall’Australia. Il ritrovamento farà certamente spirare una ventata di ottimismo, e d’investimenti, nella ricerca e nella produzione di motori ad idrogeno. Se, a quanto sembra, esistono grandi giacimenti naturali di questa risorsa, la vera sfida sarà rendere accessibile la tecnologia che consente il suo utilizzo ed il suo trasporto. Soprattutto il trasporto.

California a idrogeno

Negli stati Uniti circolano 15.000 veicoli ad idrogeno ma solo in California, l’unico stato dell’unione in grado di ospitare una rete di distributori per questo tipo di carburante. Un rifornimento d’idrogeno, in termini di tempo, è enormemente più vantaggioso di una ricarica elettrica in quanto richiede, su per giù, lo stesso tempo di un rifornimento di idrocarburi. Come all’inizio dell’elettrico, gli utenti californiani lamentano la scarsità di distributori, che in tutto lo Stato sono solo 90. In quanto ai costi carburante, negli Usa è tra i 10 e i 17 USD al kg, mentre un kg di benzina (che non corrisponde a un litro) costerebbe 1,66 dollari. Per quanto l’idrogeno sia il più efficiente dei carburanti, è un costo che non compensa. Anche visto che paragonando i costi alle distanze percorse l’elettrico, anche negli Usa dove le benzine costano molto meno, è vincente su tutto. Per questo motivo alcuni fabbricanti, come Toyota e Hyundai, hanno inserito bonus fino a 15.000 USD per i rifornimenti a chi acquista un’auto a idrogeno. I costi alti vengono dal più grande problema dell’idrogeno: il suo stoccaggio. Gli atomi d’idrogeno sono così piccoli che possono attraversare un certo numero di materiali. Anche metallici. E allo stato naturale non è utilizzabile.

Un soggetto difficile da trattare

L’idrogeno è il carburante con la maggiore densità energetica: 1 kg di H₂ sviluppa la stessa energia di 2,4 kg di metano e di 2,8 kg di benzina. Da questo punto di vista l’elettrico, visto il peso delle batterie, è enormemente svantaggiato, ma la tecnologia per consentire di contenere l’idrogeno in un serbatoio pesa sui costi. Per renderlo utilizzabile e trasportabile l’idrogeno va compresso a 700 atmosfere (o bar) oppure raffreddato a -253°C. Per avere un’idea sull’ordine delle grandezze; 700 bar corrispondono alla pressione che si trova a 7000m di profondità in mare, o a tre volte e mezza la pressione all’interno di una bombola per immersioni subacquee, mentre lo zero assoluto, la minima temperatura teorica, è – 273,15°C, appena 20°C in meno del limite considerato universale. Raggiungere e mantenere certe condizioni estreme, in termini di energia incide di buon 25% sull’energia che verrà prodotta. Non ultimo, la sua elevata infiammabilità. L’idrogeno non è un mostro esplosivo, come a volte è stato dipinto, non si comporta molto peggio delle benzine, anzi: rispetto alle benzine, che in caso di perdita e incendio si riversano al suolo e spandono, l’idrogeno tende a salire verso l’alto, limitando i danni in luoghi aperti. Ha altri svantaggi. La sua molecola sottile tende ad evadere le guarnizioni d’uso comune e un piccolo incendio dell’idrogeno potrebbe essere invisibile. In campo aeronautico una piccola perdita potrebbe rivelarsi catastrofica.

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Alla ricerca del motore perfetto

Molte delle possibili applicazioni dell’idrogeno sono state già sviluppate e ora se ne stanno valutando le aree di maggior efficacia. Nei motori a combustione interna, o a scoppio, è stato notato che l’idrogeno ha un rendimento migliore in quelli più grandi. Questo, come già si sospettava, ne fa il candidato ideale per sostituire l’elettrico nei trasporti navali o terrestri pesanti. Per mezzi che muovono merci su lunghe distanze, mezzi che non possono attendere tempi proibitivi per una ricarica elettrica, per i quali il peso delle batterie è penalizzante, l’idrogeno sembra la soluzione ideale. Un autoarticolato elettrico che debba arrampicarsi per autostrade di montagna con tonnellate di batterie che rubano peso alle merci, in un futuro di totale decarbonizzazione potrebbe diventare antieconomico. Così le navi che effettuano traversate oceaniche e per le quali il fotovoltaico inciderebbe solo in parte sull’autonomia e sul risparmio di peso. Tuttavia, la sorpresa maggiore potrebbe non venire dal motore a combustione interna, ma dalle pile a combustibile che alimentano motori elettrici. La pila a combustibile, o cella a combustione, in realtà non fa fiamma. Si tratta di una scatoletta simile a un radiatore. Un flusso di idrogeno scorre sulle lamine di platino e rilascia il suo unico elettrone creando un flusso di energia elettrica. A quel punto l’idrogeno si legherà con l’ossigeno atmosferico formando una molecola d’acqua e come combustibile avrà esaurito il suo compito. Secondo l’equazione di Maxwell è questo il metodo più efficace per produrre energia da un carburante potenziale. Non è una sorpresa che l’industria aeronautica stia sperimentando aerei con motori elettrici alimentati da celle a combustibile. Un serbatoio d’idrogeno, rispetto alle batterie, consente di risparmiare peso enormemente. Il limite è nel tipo di motore. I motori elettrici muovono eliche. Per i viaggi intercontinentali il motore jet, o a reazione, sembra il più duro da abbattere. Parliamo del motore responsabile del 5% delle emissioni totali. Può funzionare con l’idrogeno, ma con implicazioni che cambierebbero la silhouette degli aerei di linea come la conosciamo.

Riprogettare l’aviazione commerciale

Il primo esperimento con motori a reazione a idrogeno è stato condotto in Russia negli anni ‘80 con un Yliushin-55, un aereo di linea. Aveva compiuto cento decolli e atterraggi ma nel 1991, al crollo dell’Unione Sovietica, il progetto fu cestinato. Eppure, se c’era un campo dove l’idrogeno era forse l’unica alternativa possibile ai fossili, era il motore a reazione. Riprogettare un motore a reazione, o jet, per un’alimentazione a idrogeno è sicuramente complesso ma, come è stato già dimostrato con altri motori che utilizzano combustibili fossili, è più che fattibile. Rolls Royce e il consorzio Airbus sono già a buon punto nella ricerca. Motori jet a idrogeno potrebbero essere sviluppati e testati in tempi brevissimi, il problema è che non ci sono aerei in grado di ospitare i serbatoi. Il carburante, negli aerei di linea, per motivi di sicurezza e di progetto, è stipato nelle ali, precisamente in sacche di materiale plastico che potrebbero ricordare dei materassini gonfiabili. I serbatoi d’idrogeno, invece, per imprescindibili ragioni di stoccaggio come temperatura e pressione, sono necessariamente a forma di bombola. Per questo motivo i costruttori aeronautici stanno pensando di riprogettare ali e fusoliere per poter ospitare i serbatoi d’idrogeno. Ci stanno pensando perché sanno che è l’idrogeno l’unica alternativa ai fossili per i motori jet e ai viaggi a lunga distanza.

Guardando avanti

Anni fa, se qualcuno mi avesse detto che i motori a idrogeno sarebbero stati il futuro avrei sorriso, come ho fatto guardando lo show del famoso comico. Sarebbe stato folle davanti alla prospettiva di estrarre idrogeno dall’acqua per elettrolisi o dai famigerati fossili, che a loro volta rilasciano carbonio nel processo. Oggi, con la scoperta di giacimenti naturali, cambia qualcosa. Piano piano, l’idrogeno, da arma di distrazione di massa, diventa parte di un futuro sostenibile.

 

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