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L’idrogeno dal sole: il brevetto Enea

Foto credit: Ivan Stesso

La decarbonizzazione del pianeta è uno degli obiettivi che il mondo intero (o quasi) si è posto per il 2050. Secondo l’Intergovernmental Panel on Climate Change, per evitare alcuni dei peggiori effetti del cambiamento climatico, dobbiamo impedire che le temperature globali aumentino di 1,5 gradi Celsius rispetto ai livelli preindustriali. Potrebbe aiutarci l’idrogeno verde.

L’idrogeno è una molecola che brucia in modo pulito, ma ad oggi l’idrogeno “green” rappresenta una minima parte rispetto all’idrogeno prodotto utilizzando combustibili fossili. Circa il 71% è idrogeno “grigio”, prodotto tramite reforming del gas naturale. Il reforming è il processo chimico che, attraverso il calore, permette di trasformare il combustibile primario in una miscela contenente idrogeno molecolare e altri prodotti tra cui anidride carbonica, vapore, monossido di carbonio, metano, combustibile non riformato.

Abbiamo anche l’”idrogeno marrone”, ottenuto dal carbone e una piccola parte è “idrogeno blu”, frutto dell’abbinamento di reforming del gas naturale e delle tecnologie per la cattura e stoccaggio di CO2. All’idrogeno verde spetta lo 0,1% circa della produzione complessiva.

Per questo motivo il mondo della ricerca sta studiando nuovi sistemi per rendere più efficiente e competitiva la produzione di idrogeno pulito. Nel nostro paese vanno in questa direzione i nuovi processi studiati dall’Enea, alimentati con diverse fonti energetiche e potenzialmente più efficienti della classica elettrolisi alcalina. Ha infatti brevettato un innovativo sistema per produrre idrogeno attraverso la decomposizione termica dell’acqua e il calore del sole.

Nei processi tradizionali, secondo il fenomeno di decomposizione termica, l’acqua si scinde in idrogeno e ossigeno a temperature altissime, tra i 3000 e i 4000 gradi centigradi. La necessità di temperature così alte rende però questo processo non praticabile. L’Enea è riuscita ad ovviare al problema. I ricercatori del dipartimento di “Fusione e Tecnologie per la Sicurezza Nucleare” del Centro Ricerche di Frascati in collaborazione il dipartimento di “Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili” di Casaccia hanno ideato un reattore a membrana in grado di trasformare direttamente il calore del sole in idrogeno, abbassando significativamente le temperature del processo di scissione della molecola d’acqua. Già intorno ai 1900°C è possibile ottenere delle rese di reazione abbastanza significative.

Poiché servono temperature molto alte, il team di ricerca ha ben pensato di accoppiare il reattore ad impianti solari a concentrazione, in grado di fornire direttamente calore ad alta temperatura, rendendo così possibile la produzione di idrogeno direttamente dall’energia solare. Al momento però i sistemi solari a concentrazione che raggiungono le temperature più elevate non superano i 1500 °C. Ancora troppo pochi per rendere l’intero processo appetibile. Tuttavia, i ricercatori Enea sono convinti che presto si potrà superare anche questo ostacolo, con lo sviluppo di nuovi materiali per alti flussi termici e le ricerche sui sistemi solari ad alta temperatura, attività in fase di studio presso i propri laboratori.

Generalmente, per produrre l’idrogeno verde si trasforma l’energia solare in corrente elettrica, attraverso pannelli fotovoltaici, con cui si alimenta un elettrolizzatore che separa l’ossigeno dall’idrogeno. Durante questo processo si ha una grossa perdita di energia. Solo il 20% dell’energia solare si trasforma in energia elettrica e solo la metà diventa idrogeno. Nella somma dei due processi si ha una efficienza complessiva del 10%. La produzione diretta di idrogeno dal sole è caratterizzata dal raggiungimento di elevate efficienze energetiche e da costi di investimento contenuti, rispetto ad altri sistemi.

Il reattore è costituito da una camera di reazione dove sono presenti contemporaneamente due tipi di membrane: una in tantalio per separare l’idrogeno ed una in materiale ceramico per separare l’ossigeno. I due gas, così separati, trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni, in particolare come gas puri nella chimica fine, nella farmaceutica, e nell’industria elettronica. Anche la produzione di ossigeno, da sola, rappresenta un grande valore economico. Può infatti essere utilizzato per la combustione in quanto più vantaggioso dell’aria, perché si riducono le emissioni ed è più facile separare la CO2.

Secondo un’analisi di mercato di Wood Mackenzie, i costi dell’idrogeno verde tenderanno progressivamente a diminuire, fino al 64% entro il 2040, soprattutto in Nord Europa e in Germania, dove tale limite potrebbe essere raggiunto entro il 2030. Nello stesso periodo di tempo, si prevede che aumentino dell’82% i costi per la produzione dell’idrogeno grigio, come conseguenza diretta dell’aumento dei prezzi del gas naturale.

In uno scenario futuro a zero emissioni l’idrogeno giocherà un ruolo fondamentale e la tecnologia Enea potrebbe dare una svolta alla strategia nazionale per l’idrogeno. AMasili