L’avvento dell’idrogeno, un gas in espansione

Dal settore alimentare al riscaldamento, l’idrogeno trova largo impiego. E sta velocemente diventando un’energia alternativa importante. Ma è soprattutto in ambito industriale che viene utilizzato. Scopriamo quali sono le sue applicazioni, e i rischi.

La recente Hydrogen Expo 2023, svoltasi a Piacenza lo scorso maggio, ha offerto lo spunto per qualche ulteriore riflessione sull’importante tema dell’idrogeno e delle sue applicazioni industriali. Dalla caldaia per la casa al carrello elevatore, dal gruppo elettrogeno ai forni destinati alle grandi industrie energivore fino alle auto, anche da corsa. Tutto rigorosamente alimentato a idrogeno. È quanto si è potuto ammirare nei padiglioni di Piacenza Expo. Segno del grande interesse per un elemento, l’idrogeno appunto, destinato a cambiare profondamente le nostre vite.

Applicazioni a tutto campo

Per decenni, è stato utilizzato principalmente dalle industrie chimiche e di raffinazione. Ad esempio, è una materia prima fondamentale necessaria per produrre ammoniaca (NH3), parte importante dei fertilizzanti utilizzati nelle industrie agricole di tutto il mondo, oltre che refrigerante economico ed ecologico (R-717). Nella raffinazione del petrolio, l’idrogeno è comunemente usato nel processo di hydrocracking per ottenere prodotti come benzina e gasolio. Nell’industria petrolifera, viene utilizzato anche per rimuovere contaminanti come lo zolfo e per creare metanolo (CH₃OH). I produttori di biocarburanti utilizzano anche l’idrogeno per produrre olio vegetale idrotrattato (HVO) da utilizzare come diesel rinnovabile. Tuttavia, come dicevamo, l’idrogeno oggi è utilizzato in molti altri settori in costante aumento. In ambito alimentare, ad esempio, serve per trasformare i grassi insaturi in oli e grassi saturi, compresi gli oli vegetali idrogenati come margarina e creme spalmabili. Nel metalworking, è impiegato in processi come la lega dei metalli, dove viene introdotto nei metalli fusi per migliorare proprietà come resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. Nei processi di saldatura, lo troviamo principalmente nella saldatura a idrogeno atomico (AHW), dove viene diviso in atomi attraverso un arco elettrico. Gli atomi si combinano per creare una fiamma che fonde i metalli. Un’altra applicazione è quella della produzione di vetro piano, dove idrogeno e azoto permettono di prevenire l’ossidazione e i difetti durante il processo di fabbricazione. In campo elettronico, l’idrogeno viene utilizzato per creare semiconduttori, LED, display, segmenti fotovoltaici e altri componenti. Infine, nell’industria medicale serve per ottenere perossido di idrogeno (H₂O₂), un antisettico comunemente molto usato. Recentemente, l’idrogeno è stato anche studiato come gas terapeutico per una serie di malattie diverse.

Celle a combustibile a idrogeno

L’idrogeno trova attualmente impiego anche nelle celle a combustibile per la generazione di elettricità e l’alimentazione di veicoli. In particolare, le celle a combustibile a idrogeno producono elettricità combinando atomi di idrogeno e ossigeno. L’idrogeno reagisce con l’ossigeno attraverso una cella elettrochimica, simile a una batteria, per produrre elettricità, acqua e piccole quantità di calore. Una cella a combustibile può essere da due a tre volte più efficiente di un motore a combustione interna alimentato a benzina. Le celle a combustibile a idrogeno sono utilizzate per alimentare i sistemi elettrici dei veicoli spaziali, e per fornire elettricità sulla terra. Piccole celle a combustibile sono state sviluppate per dare energia ai dispositivi elettronici, come computer portatili e telefoni cellulari, mentre diversi produttori hanno sviluppato celle a combustibile per alimentare i veicoli su strada. Le celle a combustibile possono potenzialmente fornire elettricità anche per l’alimentazione di emergenza negli edifici, e per le località remote che non sono collegate alle reti elettriche. Il mercato è enorme. Basti pensare che, alla fine del 2022, gli Stati Uniti avevano circa 205 generatori di energia elettrica a celle a combustibile operativi in 147 impianti, con una capacità di generazione elettrica complessiva di circa 350 MW. La maggior parte delle celle a combustibile in uso impiega gas naturale come fonte di idrogeno, ma quattro di esse utilizzano biogas proveniente dal trattamento delle acque reflue. L’interesse per l’idrogeno come carburante alternativo per il trasporto deriva principalmente dal suo potenziale di alimentare le celle a combustibile nei veicoli a emissioni zero.

Produzione di energia elettrica e riscaldamento degli ambienti

La combustione dell’idrogeno per produrre energia elettrica e per il riscaldamento degli ambienti è un potenziale uso del gas puro o delle miscele ricche di idrogeno con il gas naturale. Tuttavia, l’uso di idrogeno e miscele di idrogeno nelle infrastrutture di distribuzione del gas naturale esistenti e nelle apparecchiature di combustione pone una serie di problemi legati alla compatibilità dei materiali e alle caratteristiche di combustione. Sono stati fatti progressi con la modifica dei bruciatori a gas naturale nelle turbine a combustione disponibili in commercio per ospitare miscele ad alto contenuto di idrogeno (fino al 100% di idrogeno), ma sono necessarie continue attività di ricerca, sviluppo e dimostrazione prima che l’idrogeno si qualifichi per la generazione di energia su scala industriale. Oggi, diverse centrali elettriche stanno esplorando l’uso dell’idrogeno per integrare o sostituire il gas naturale. Anche perché può essere immagazzinato in forma gassosa in grandi volumi in formazioni geologiche naturali: caverne di sale, caverne di roccia dura rivestite, giacimenti di petrolio e gas naturale esauriti e falde acquifere. L’idrogeno gassoso può anche essere immagazzinato in volumi relativamente più piccoli in serbatoi pressurizzati, fissi o portatili e in infrastrutture dedicate di gasdotti per idrogeno. Lo stoccaggio gassoso è attualmente l’opzione più comune e più probabile per espandere lo stoccaggio dell’idrogeno per la maggior parte degli usi come fonte di energia.

Il problema della sicurezza

Le caratteristiche dell’idrogeno sollevano il tema fondamentale della sicurezza. Di questo si è parlato nei tre incontri organizzati da G.I.S.I., PBN e 3p SAFETY svoltisi durante Hydrogen Expo 2023. I titoli erano rispettivamente: “Rischio fughe di idrogeno: come rilevarle con le corrette tecnologie”, “Il grande pericolo dell’essere green nel 2023: l’idrogeno. Come domare un gas esplosivo per ridurre l’inquinamento” e “Idrogeno sicuro e sostenibile: esperienze e case history. Come introdurre le nuove tecnologie in sicurezza: esempi applicativi, standard, iter autorizzativi, errori da evitare”. A questi si sono aggiunti frequenti riferimenti all’argomento, tra cui quello di Marco Mele (SFBM – Servizi Fondo Bombole Metano), il quale ha sottolineato che «la sicurezza dei mezzi di trasporto alimentati a idrogeno è la condizione essenziale affinché questi possano trovare nei cittadini non solo un’apertura, ma un atteggiamento di piena fiducia». Secondo Marco Mele, «l’idrogeno è il futuro, elemento chiave della transizione energetica, e su questo c’è piena consapevolezza da parte di molti Stati, come Francia e Germania, dove già circolano taxi a idrogeno. Ora sta all’Italia accelerare, se consideriamo che, a oggi, solo a Bolzano circolano mezzi pubblici a idrogeno, e sappiamo che vi è stata un’iniziale resistenza da parte degli utenti. Proprio per questo il tema della sicurezza deve essere posto al centro di questo percorso». L’idrogeno sta rapidamente diventando un’energia alternativa importante, anche se le applicazioni rappresentano attualmente meno del 10% del consumo globale di idrogeno. La parte del leone in termini di utilizzo è da ascrivere alle applicazioni industriali. La produzione di ammoniaca, ad esempio, rappresenta il 55% dell’utilizzo complessivo di questo gas.