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Quanto ne sappiamo davvero sull’idrogeno?

24 Settembre 2021 di 

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’Universo: rappresenta tre quarti dell’intera materia. È l’elemento principale di tutte le stelle e anche del pianeta più grande del Sistema Solare, Giove. Sulla Terra, invece, se ci riferiamo alla superficie, è solo il quarto elemento più abbondante (come numero di atomi), dopo ossigeno, silicio e alluminio. L’idrogeno non è presente nella sua forma molecolare se non in tracce (< 0,0001%) ma lo si trova sempre combinato in molecole, tra cui naturalmente l’acqua, l’ammoniaca e gli idrocarburi, sostanze alle quali sono associati molti dei suoi utilizzi.

 

Perché è importante l’idrogeno?


L’idrogeno è un “materiale” estremamente versatile. Può essere utilizzato come materia prima, come combustibile e come vettore e stoccaggio di energia. Le applicazioni sono anch’esse molteplici e vanno dall’industria chimica alle applicazioni emergenti, quali il trasporto o il power-to-gas (immagazzinamento di energia elettrica).
Negli ultimi anni ha attratto l’attenzione del mondo scientifico, politico ed economico per quella che probabilmente rimane la sua principale caratteristica nelle nuove applicazioni: a differenza dei combustibili tradizionali, l’idrogeno per combustione non genera CO2, il principale gas a effetto serra, ma acqua. Se la reazione viene svolta in aria – ovvero in presenza di azoto – anziché con ossigeno puro, vengono prodotte anche piccole quantità di ossidi di azoto (NOx).

 

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I piani strategici per il nostro futuro


Le emergenze ambientali e climatiche hanno portato negli ultimi anni a importanti decisioni e piani strategici a livello europeo e mondiale. Nell’ottobre del 2015 l’Assemblea Generale dell’ONU ha varato l’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile del pianeta. Questo piano, sottoscritto dai 193 Paesi membri dell’ONU, ha definito i famosi 17 Obiettivi per lo Sviluppo Sostenibile (Sustainable Development Goals, SDGs), da raggiungere entro il 2030. Pochi mesi più tardi, il 12 dicembre 2015, 196 Stati e l’Unione Europea hanno adottato l’accordo di Parigi (COP21) per il controllo sul riscaldamento globale (il target di –1.5 °C rispetto ai livelli preindustriali). L’11 dicembre 2019 la Commissione Europea, presieduta dall’appena designata Ursula von der Leyen, ha varato il Green Deal Europeo, basato non più sull’uso indiscriminato delle risorse ma sulla conservazione del capitale naturale, con l’azzeramento delle emissioni nette di gas serra entro il 2050. Con questo piano l’Europa sarà il primo continente decarbonizzato al mondo e sarà seguito da altre importanti aree del pianeta che hanno stabilito analoghi traguardi (ad esempio la Cina per il 2060). Sulla scorta dei programmi europei, anche il governo italiano ha pubblicato, nel gennaio 2020, il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima (PNIEC). Il PNIEC verrà aggiornato nel corso del 2022 con i nuovi target europei al 2030, tra cui la diminuzione del 55% delle emissioni di gas serra.
Nell’ambito di questi piani internazionali all’idrogeno è stato assegnato un ruolo chiave, che è stato tracciato in dettaglio nella “Strategia dell’Idrogeno” europea, varata l’8 luglio 2020. Con questo piano l’UE mira a promuovere la produzione di idrogeno pulito nei suoi molteplici utilizzi come materia prima, combustibile o vettore di energia, al fine di contribuire alla riduzione delle emissioni climalteranti e così raggiungere il target 2050 definito dal Green Deal.
L’idrogeno rappresenta una delle priorità di investimento del “Recovery Plan” europeo per la ripresa post-Covid, che tra lo stanziamento “Next Generation EU” (807 miliardi di euro) e il bilancio a lungo termine dell’UE, ammonta a oltre 2000 miliardi di euro, una somma dedicata a un unico obiettivo senza precedenti nella storia dell’umanità. In questo contesto la hydrogen economy contribuirà alla crescita economica, alla creazione di posti di lavoro e alla leadership globale dell’UE. In Italia nell’autunno 2020 dapprima il Ministero dell’Università e della Ricerca (MUR) e poi il Ministero dello Sviluppo Economico (MISE) hanno varato i piani strategici sull’idrogeno nel nostro Paese, ispirati a loro volta alla Hydrogen Strategy europea.

 

Quanto idrogeno viene prodotto?


Oggi la produzione globale di idrogeno è di circa 70 milioni di tonnellate all’anno. La Cina è di gran lunga il primo produttore al mondo, con circa 20 milioni di tonnellate, ovvero quasi un terzo del totale. L’Europa invece rende conto di circa solo un quinto della produzione mondiale. La produzione di idrogeno ha subito negli ultimi anni una crescita impressionante, passando dai meno di 20 milioni di tonnellate del 1975, ai 50 milioni del 2005 e ai 70 milioni di oggi. Quindi solo negli ultimi 15 anni la produzione è aumentata del 40%! I vari piani strategici internazionali prevedono per i prossimi anni una crescita annua del 2-3%, il che potrebbe significare il raggiungimento di quota 100 milioni tra 10-15 anni.

 

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Domanda mondiale di idrogeno dal 1975 ad oggi (azzurro: per raffinazione; blu: per la produzione di ammoniaca) (Fonte: IEA – International Energy Agency)

 


Auto elettrica o a idrogeno?


Il campo dei trasporti, ovvero l’utilizzo come combustibile, è quello che richiama il maggior interesse non solo degli enti governativi ma anche dei cittadini e dei mass media. Si tratta di un processo totalmente carbon-free che ha permesso all’idrogeno di ritagliarsi un ruolo strategico nella decarbonizzazione.
Pur in presenza di varie eccezioni anche di un certo peso (ad esempio a Parigi già oggi circolano 500 taxi a idrogeno, che si prevede diventino 10.000, per i Giochi Olimpici del 2024) l’uso dell’idrogeno per l’autotrasporto leggero (accoppiata di una cella a combustibile per produrre elettricità da idrogeno e di un motore elettrico) non è al momento competitivo con la modalità elettrica a batteria. Questo a meno che non siano irrinunciabili maggiori autonomie di percorrenza e veloci tempi di rifornimento (sotto i 5 minuti per un pieno), come è possibile per le auto a idrogeno.

 

Idrogeno per il trasporto pesante


In altri settori del trasporto si prevede invece che l’idrogeno possa diventare il combustibile sostenibile di riferimento, come nel trasporto pesante su strada, su rotaia, marittimo e aereo, ovvero in tutti quei comparti dove le caratteristiche della mobilità elettrica a batteria non risulta idonea e dove le necessità legate all’uso dell’idrogeno (ad esempio grandi volumi del combustibile) non rappresentano un impedimento.
L’ambito dei treni è uno dei più interessanti. Secondo la Commissione Europea oggi il 46% delle ferrovie non è elettrificato, per ragioni economiche o legate alla complessa morfologia del territorio. In questi casi ancora oggi vengono utilizzati treni diesel, spesso con parecchi anni di anzianità. Nell’autunno del 2018 è entrato in servizio in Germania, nella Bassa Sassonia, il primo treno a idrogeno al mondo, della francese Alstom. Porta fino a 300 passeggeri, ha un’autonomia di 800 km e una velocità massima superiore ai 140 km/h. In Italia i primi treni a idrogeno verranno utilizzati a partire dal 2023 nella tratta Brescia-Edolo.
Anche nel campo dei TIR l’idrogeno si sta già presentando come la tecnologia sostenibile di riferimento. La Hyundai è partita a fine 2020 con le consegne in Svizzera dei primi TIR a idrogeno prodotti in serie ed entro il 2030 prevede di produrre alcune decine di migliaia di veicoli, soprattutto indirizzati al mercato cinese e statunitense. La strategia dell’idrogeno coinvolge anche gli autobus, con almeno una ventina di città e 10 Paesi membri europei fortemente coinvolti nell’impiego di questi mezzi pubblici. In Italia nel corso dell’estate 2021 Bolzano ha inaugurato la propria flotta di bus a idrogeno per il trasporto pubblico. Altre città, come Milano, invece hanno optato per una flotta elettrica a batteria.

 

Un libro sull’idrogeno


Ci saranno probabilmente anche aerei a idrogeno (alcuni sono già in volo), ma non solo. L’idrogeno avrà un ruolo sempre più fondamentale per la decarbonizzazione con numerosi altri utilizzi. Per scoprirli tutti e capire la differenza tra i vari “colori” dell’idrogeno, si può leggere il libro Idrogeno Tutti i colori dell’energia (edizioni Dedalo, 2021).

Alessandro Abbotto

Alessandro Abbotto è direttore del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, dove si occupa di tecnologie verdi dell’idrogeno e di altri combustibili solari.

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