Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO₂ nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili (vedi nota).

Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO₂ è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata.

E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO₂ entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile.

Numerosi studi e pubblicazioni hanno indicato che l'energia del sole e dei suoi derivati (vento, acqua) è di gran lunga sufficiente a soddisfare la domanda energetica mondiale ma la grande variazione di potenza giornaliera e stagionale dell'energia rinnovabile è un'ulteriore complicazione per un'ampia sostituzione dell'energia fossile con l'energia rinnovabile.

Lo stoccaggio di energia giornaliero e stagionale su larga scala è quindi urgentemente necessario per rendere possibile la trasformazione verso una società basata sulle energie rinnovabili.

Sono in discussione varie tecnologie tra cui lo stoccaggio meccanico (volano, energia idroelettrica pompata, stoccaggio di gas compresso, ecc.) e lo stoccaggio elettrochimico (batterie).

Tra i vari metodi esistenti è possibile stoccare l’energia mediante la produzione di combustibili chimici come l'idrogeno.

NOTA. Il picco del petrolio è stato raggiunto nella produzione di petrolio convenzionale nel 2006. Il petrolio greggio si è formato in un processo naturale durato diversi milioni di anni. Il picco del petrolio descrive il massimo della produzione globale di petrolio (più precisamente: il tasso di produzione di petrolio). Una volta raggiunto il picco del petrolio, l'offerta globale di greggio diminuisce, con conseguenze di vasta portata per l'economia e la società. Il picco del petrolio non significa che il petrolio si sta esaurendo. Il picco indica che è stato estratto dal sottosuolo circa la metà del greggio recuperabile. Si continuerà a produrre molto petrolio, solo un po' meno.

Alcuni dati relativi alla produzione di elettricità

La produzione di elettricità è aumentata del 6,2% nel 2021, simile al forte rimbalzo registrato nel 2010 all'indomani della crisi finanziaria (6,4%).

L'energia eolica e solare hanno raggiunto una quota del 10,2% della produzione di energia nel 2021, la prima volta che l'energia eolica e solare hanno fornito oltre il 10% dell'energia globale e superando il contributo dell'energia nucleare.

Il carbone è rimasto il combustibile dominante per la produzione di energia nel 2021, con la sua quota che è aumentata al 36%, rispetto al 35,1% del 2020.

Il gas naturale nella produzione di energia elettrica è aumentato del 2,6% nel 2021, sebbene la sua quota sia diminuita dal 23,7% nel 2020 al 22,9% nel 2021.

I numeri dello stoccaggio di energia

Lo stoccaggio stagionale di energia per i paesi del nord significa lo stoccaggio di circa il 50% del loro fabbisogno annuo totale: con un consumo approssimativo di 10 kW pro capite, ciò corrisponde a immagazzinare in 87.600 kg di batterie al litio, o di 3285 kg di olio combustibile (diesel) per persona all'anno. Oltre alle sfide tecniche, questi numeri illustrano un'altra questione importante: molti proprietari di case in Europa sono infatti abituati a immagazzinare diversi litri di olio combustibile per il riscaldamento.

La modifica degli idrocarburi vettori energetici implica la sostituzione delle corrispondenti infrastrutture che forniscono oltre il 50% dell'energia mondiale (oleodotti per petrolio e gas, stazioni di rifornimento, installazioni degli utenti finali, industria automobilistica e aeronautica, modelli di mercato, ecc.).

In alternativa se i combustibili sono prodotti da energia rinnovabile la sfida può essere in parte vinta affrontando la grande sfida dell’idrogeno.

Le sfide dell’idrogeno

La luce è l'energia primaria del sole e la sua conversione in combustibile chimico avviene mediante la fotosintesi da milioni di anni. Per immagazzinare energia, le piante dividono l'acqua rilasciando ossigeno molecolare. L’energia chimica, a sua volta, serve per trasformare l'anidride carbonica assorbita dall'aria in zuccheri e carboidrati, ovvero il nutrimento fondamentale per l’alimentazione delle piante stesse. Esistono alcune alghe dove, in particolari condizioni, sono in grado di produrre idrogeno gassoso.

Poiché la fornitura di energia è una necessità fondamentale per le persone, la grande sfida dell'idrogeno ha anche confini ecologici, economici e sociali.

L'idrogeno, primo elemento della tavola periodica, è l'elemento chimico più abbondante nell'universo, il più leggero, costituito da un protone e un elettrone.

L’attenzione verso l’idrogeno come vettore energetico è da sempre dovuta ad alcune sue interessanti caratteristiche: è leggero, facilmente immagazzinabile a lungo termine rispetto all’energia elettrica, reattivo, ad alto contenuto di energia per unità di massa e può essere facilmente prodotto su scala industriale.

Un altro aspetto fondamentale è sicuramente la possibilità di utilizzare l’idrogeno per produrre energia “pulita”. Infatti, la combustione dell’idrogeno non è associata alla produzione di anidride carbonica (CO₂) e non comporta quindi emissioni climalteranti dirette; inoltre, la combustione può essere condotta per via elettrochimica in celle a combustibile, con efficienze complessive superiori a quelle della combustione termica e senza l’emissione di ossidi di azoto. Infine, l’idrogeno può essere ottenuto da una gamma ampiamente diversificata di fonti di energia rinnovabile, potendo così supportare lo sviluppo di sistemi energetici resilienti.

La grande sfida dell'idrogeno può essere suddivisa nelle tre aree tematiche produzione, stoccaggio e uso finale dell'idrogeno, che sono collegate attraverso il ciclo chiuso dell'idrogeno.

Gli obiettivi di queste aree tematiche sono ben definiti: elevate efficienze di conversione della produzione di idrogeno, uso di idrogeno e un'elevata densità di stoccaggio dell'idrogeno, il tutto a un prezzo economicamente ragionevole.

Ad esempio, se lo stoccaggio dell'idrogeno è realizzato mediante reazione dell'idrogeno con CO₂ producendo idrocarburi, le celle a combustibile a bassa temperatura non possono essere utilizzate. In questo caso, l'uso finale preferibile del carburante può essere in motori a combustione interna ed esterna, celle a combustibile ad alta temperatura e riscaldamento, che di solito hanno efficienze inferiori rispetto ai dispositivi di conversione dell'idrogeno puro. Pertanto, sebbene la sfida dello stoccaggio dell'idrogeno sia tecnicamente risolta, le prestazioni complessive del sistema sono inferiori a quelle del sistema di idrogeno puro con stoccaggio dell'idrogeno in bombole pressurizzate (con altre criticità).

L’idrogeno come vettore di energia rinnovabile

Il punto di partenza della produzione di idrogeno è quindi l'elettricità prodotta da energia rinnovabile, che può comprendere anche fonti diverse dalla luce (es. eolico e idroelettrico).

La produzione di idrogeno può essere vista come il punto di partenza in un circolo chiuso che utilizza l'idrogeno come vettore di energia rinnovabile. I processi fondamentali della produzione di idrogeno rinnovabile mediante elettrolisi sono relativamente ben compresi e gli impianti pilota ne hanno dimostrato la fattibilità su scala industriale. Tuttavia, l'idrogeno di oggi deriva per il 95% da fonti fossili. Altre fonti riportano che il 99% dell’idrogeno prodotto deriva da fonti fossili.

I benefici dell'idrogeno dipendono da come viene prodotto. Tra i 69 Mt di idrogeno prodotti a livello globale (escluso l'idrogeno sottoprodotto), quasi il 99% proviene da combustibili fossili (vale a dire, il 76% dal gas naturale e il 23% dal carbone)

La ricerca e lo sviluppo della produzione di idrogeno sono necessari per rendere il costo dell'idrogeno rinnovabile competitivo rispetto all'idrogeno fossile. Ciò genera richieste di ricerca fondamentale su nuovi concetti e materiali nell'elettrolisi. I corrispondenti colli di bottiglia scientifici sono relativamente facili da assegnare, sebbene non altrettanto facili da superare.

L'elettrolisi è un processo elettrochimico che avviene su due elettrodi spazialmente separati.

Schema dell’elettrolisi per la produzione di idrogeno

Il trasferimento di elettroni alle interfacce elettrodo-elettrolita è il processo che rallenta la velocità: la costruzione degli elettrodi è fondamentale per accelerare la reazione e ridurre al minimo la quantità di materiali spesso preziosi (ad esempio, platino e iridio).

A causa della polarità dell'acqua, l'interfaccia dipende dalla superficie dell'elettrodo, dalle proprietà dinamiche dell'acqua, dalle impurità e da parametri esterni come la temperatura.

Analisi della scienza delle superfici risolta nel tempo in condizioni difficili

La scienza delle superfici ha una lunga tradizione nelle tecnologie basate sull'idrogeno: molti processi sono basati sull’interazione dell’idrogeno con la superficie del catalizzatore.

Con metodi d’indagine avanzati è possibile caratterizzare i siti superficiali attivi del catalizzatore rendendo possibile la creazione di modelli di reazione a livello atomico. Questi studi hanno permesso di implementare i nanomateriali funzionali.

Scienza dei materiali per dispositivi a idrogeno

Risolvere la sfida analitica è un prerequisito per migliorare le prestazioni dei materiali per la produzione, lo stoccaggio e l'uso finale dell'idrogeno.

Con le fasi di limitazione della velocità che avvengono su scala nanometrica, la funzionalizzazione dei materiali è necessaria per rendere il processo più efficiente anche su scala nanometrica.

La catalisi eterogenea si sviluppa a livello di nano materiali : massimizzare il rapporto superficie/volume è una delle strategie più comuni nella catalisi applicata, che richiede nuove tecnologie di nanostrutturazione (sintesi di nanoparticelle, funzionalizzazione della superficie, ecc…) .

La scienza dei materiali è necessaria per migliorare le proprietà e prolungare i tempi di vita.

La vera sfida per la scienza dei materiali risiede nella ricerca e funzionalizzazione di metalli non preziosi con proprietà migliorate.

Inoltre, la scienza dei materiali contribuirà a migliorare le apparecchiature ausiliarie, il che rende praticamente possibile la tecnologia dell'idrogeno. Si tratta di tubi e serbatoi impermeabili all'idrogeno e loro controparti: materiali permeabili all'idrogeno per membrane, sensori di idrogeno, ecc.. I sensori di idrogeno si basano sui cambiamenti di una specifica proprietà fisica di un materiale indotti dall'idrogeno, che viene utilizzato come indicatore della concentrazione di idrogeno.

Integrazione dei sistemi per lo stoccaggio dell’idrogeno

Nelle tecnologie emergenti come la tecnologia dell'idrogeno, nuove scoperte potrebbero rivoluzionare il campo. Questa può essere una fruttuosa interrelazione tra scienza e applicazione, ma genera anche difficoltà. Un esempio è lo stoccaggio dell'idrogeno negli idruri metallici. I materiali ad alta capacità come i boroidruri richiedono temperature operative di 300–500°C a pressioni fino a 100 bar. Ciò diminuisce la capacità complessiva di idrogeno a livello di sistema: i recipienti per l'idrogeno ad alta pressione e temperatura necessitano di pareti spesse in acciaio inossidabile speciale, isolamento termico e scambiatori di calore speciali.

La maggior parte dei dispositivi di stoccaggio dell'idrogeno solido sono ancora basati su leghe di metallo che lavorano vicino alla temperatura ambiente e basse pressioni, che sono state sviluppate negli anni '70 del secolo scorso.

La sfida rimane quella di spingere i nuovi materiali ad alta capacità a livello applicativo.

Riferimenti

BP, Statistical Review of World Energy. (2021).

Peakoil

A. Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016

Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)

I colori dell’idrogeno