Gli equilibri del sistema energetico globale, alla luce del panorama attuale, vengono continuamente ridefiniti sia a causa della crescente esigenza di garantire la sicurezza e la sostenibilità degli approvvigionamenti energetici, sia per la necessità di accelerare i processi di decarbonizzazione. La transizione energetica richiede di ridurre progressivamente la dipendenza dai combustibili fossili e di ricorrere a una molteplicità di soluzioni alternative, che prevedano l’integrazione di quote sempre maggiori di fonti energetiche rinnovabili. In questo scenario, l'idrogeno verde emerge come uno dei vettori energetici potenzialmente più rilevanti per il conseguimento degli obiettivi di neutralità climatica.

Nel corso degli anni l’idrogeno ha acquisito un ruolo sempre più centrale nell’ambito della transizione energetica, fino a diventare pressoché fondamentale. Si tratta di un elemento molto piccolo, ma con un’importanza gigantesca. Si merita decisamente di essere celebrato e, infatti, l’associazione statunitense US Fuel Cell and Hydrogen Energy Association (FCHEA) ha istituito nel 2015 il National Hydrogen and Fuel Cell Day, curiosamente nella data 08 ottobre (10/08) in virtù del suo peso atomico (1.008 u), che la richiama, al fine di prendere coscienza sulle sue potenzialità a livello ambientale e riconoscerne il valore come prodotto generato da fonti rinnovabili e con emissioni di carbonio nulle.  

L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo, è anche il costituente delle stelle e rappresenta circa il 60% dei componenti del corpo umano, ma non si trova in natura in quanto tale, bensì solamente combinato con altri elementi, ad esempio nella molecola d’acqua legato all’ossigeno o negli idrocarburi assieme al carbonio. Non si tratta di una fonte primaria di energia, bensì si distingue come un importante vettore energetico capace di accumulare, trasportare e rilasciare l’energia che invece è necessario fornire per separarlo dagli altri elementi e, nella sua carta di identità, presenta delle caratteristiche vincenti. L’idrogeno è il carburante con la maggiore densità energetica (1 kg di questo gas contiene la stessa energia di 2.4 kg di metano o di 2.8 kg di benzina); possiede un’elevata efficienza di conversione (in un’auto con celle a combustibile, fino al 60% dell'energia chimica dell'idrogeno si trasforma in energia motrice, contro il 20-35% nei motori termici a benzina o gasolio). In aggiunta, se usato come combustibile, l’idrogeno non produce emissioni inquinanti ma reagisce completamente con l’ossigeno producendo solamente vapore acqueo ed è per questo che si pone come un’alternativa desiderabile rispetto ai combustibili fossili.

Questo elemento fu scoperto nel 1766 dal chimico inglese Henry Cavendish il quale osservò che da una miscela di zinco e acido solforico si liberava un gas, che chiamò aria infiammabile. Fu però il chimico francese Antoine Lavoisier a dimostrare che il gas, combinandosi con l’ossigeno presente nell’aria portava alla formazione di acqua. Riuscì a comprendere che si trattava di un vero elemento chimico e nel 1787 lo chiamò idrogeno unendo le parole greche hýdor (acqua) e ghennáo (generare/produrre), identificandolo letteralmente come generatore d'acqua.

A seconda del metodo di produzione e dalla fonte di energia impiegati l’idrogeno si distingue in una vasta gamma di colori. Le colorazioni più scure che danno il nome alle tipologie di idrogeno sono anche le più impattanti e pericolose per l’ambiente: l’idrogeno grigio viene prodotto mediante il processo dello steam reforming a partire dal metano, che è il più diffuso a livello industriale ma anche molto inquinante, in quanto rilascia grandi quantità di anidride carbonica in atmosfera; l’idrogeno nero è prodotto dalla gassificazione del carbone e rilascia anidride carbonica e monossido di carbonio come sottoprodotto nell’atmosfera. A colori progressivamente più chiari corrispondono tipologie di idrogeno “ottimizzate” e migliorative per l’ambiente. Ad esempio, l’idrogeno blu analogamente alle due tipologie sopracitate viene prodotto da fonti fossili ma deriva da un processo che prevede anche la cattura e l’immagazzinamento dell’anidride carbonica sottoterra, il che lo rende decisamente meno impattante per l’ambiente. Invece, l’idrogeno turchese viene prodotto tramite pirolisi del metano, un metodo sperimentale che scompone termicamente il metano nei suoi elementi costituenti e porta quindi alla produzione di carbonio solido puro, noto anche come carbon black, anziché alla produzione e quindi al rilascio dell’anidride carbonica.

Infine, i colori più accesi rappresentano le tipologie che si distinguono come le più sostenibili dal punto di vista ambientale in virtù del processo produttivo dell’elettrolisi dell’acqua, che consiste nella scissione della molecola d’acqua nei suoi componenti elementari, idrogeno e ossigeno, mediante l’applicazione della corrente elettrica proveniente esclusivamente da fonti rinnovabili. Più specificatamente, si può fare una distinzione più dettagliata sulla base della natura della fonte rinnovabile – si può infatti distinguere tra idrogeno rosa, prodotto tramite elettrolisi alimentata da energia nucleare e idrogeno giallo, che, alcune fonti definiscono come prodotto per elettrolisi alimentata specificamente da energia solare fotovoltaica - ma si parla soprattutto di idrogeno verde, come tipologia generata per elettrolisi da fonti rinnovabili quali energia solare ed eolica. L’idrogeno verde è considerato un vettore energetico promettente per la decarbonizzazione e per questo assolutamente virtuoso.

La ricerca attuale è sempre più orientata verso lo sviluppo e l'ottimizzazione dei processi di elettrolisi dell'acqua, quando questi sfruttano energia rinnovabile, permettendo la produzione di idrogeno con un'impronta di carbonio ridotta: in questo senso l'idrogeno ottenuto può essere classificato come verde, energeticamente il più virtuoso. Alla luce di queste considerazioni, la ricerca si sta orientando sempre più verso lo sviluppo e l'ottimizzazione dei processi di elettrolisi dell'acqua, con l'obiettivo di migliorarne l'efficienza energetica, ridurne i costi e aumentarne la competitività.

Il processo di elettrolisi dell’acqua racchiude in sé svariate tecnologie, che condividono lo stesso principio di funzionamento, ma si differenziano principalmente per le condizioni operative adottate e per i materiali impiegati. Si può effettuare una classificazione racchiudendole in due macroaree: elettrolisi a bassa temperatura (alcalina, a membrana a scambio protonico PEM e a membrana a scambio anionico AEM) e ad alta temperatura (elettrolisi a ossidi solidi). Quest’ultima in particolare si rivela molto vantaggiosa grazie all’elevata temperatura di funzionamento che consente di raggiungere un'elevata efficienza elettrica senza ricorrere a materiali costosi e rari come quelli impiegati ad esempio nella tecnologia PEM, anche se presenta ancora molte sfide legate al degrado dei materiali.

La produzione di idrogeno con questa tecnologia si distingue proprio per l'uso esclusivo di componenti solidi e ha luogo in una cella elettrolitica a ossido solido (Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) che è composta da due elettrodi (materiali conduttori di cariche elettriche e ioni) separati da un elettrolita a base di materiali ceramici.

In tal caso l’elettrodo negativo, denominato anche elettrodo del combustibile, è comunemente costituito da un cermet, ovvero un materiale composito formato da una fase ceramica interconnessa con una matrice metallica, composto da nichel e ossido di zirconio stabilizzato con ittrio (YSZ), materiale quest’ultimo costituente anche l’elettrolita della cella, per garantire continuità strutturale. Invece l’elettrodo positivo (l’anodo) è denominato anche elettrodo dell’ossigeno o dell’aria ed è costituito da materiali ceramici avanzati quali le perovskiti, le più comuni delle quali sono l’LSM (Lantanio Stronzio Manganite) e l’LSCF (Lantanio Stronzio Cobaltite Ferrite) in virtù delle loro proprietà conduttive.

Sotacarbo ha investito in queste importanti tecnologie e ha recentemente inaugurato, nell’ambito del progetto RECOVER, i banchi prova su scala da laboratorio delle tecnologie PEM/AEM e a ossidi solidi. Le prove di laboratorio consentiranno, infatti, di studiare nuovi metodi per sfruttare il potenziale di questa tecnologia e individuare condizioni operative che favoriscano efficienza e stabilità nel tempo. Proprio per questo motivo, al fine di acquisire maggiore familiarità con queste tecnologie, due ricercatrici Sotacarbo hanno partecipato a un training presso la sede dell'azienda Fiaxell, fornitrice dei banchi prova, a Losanna in Svizzera.

Il corso svolto ha consentito di prendere coscienza di quanta passione e impegno ci vogliano anche soltanto per la realizzazione di una singola cella e di quanto lavoro sia necessario per poter estendere la produzione dell’idrogeno su larga scala. In fin dei conti, se si può apprendere una morale da questo elemento, è che partendo dal piccolo si può davvero arrivare a realizzare qualcosa di immenso valore. LP