Quando si parla di energia del futuro, c’è una parola che negli ultimi anni è comparsa sempre più spesso: idrogeno. Se ne parla per decarbonizzare l’industria, alimentare i trasporti pesanti, accumulare l’energia prodotta dalle fonti rinnovabili e, nel caso di Taranto, trasformare profondamente il modo in cui viene prodotto l’acciaio.
Ma che cos’è davvero l’idrogeno? È davvero il combustibile pulito che potrà sostituire i combustibili fossili oppure la realtà è più complessa?
La risposta, come spesso accade quando si parla di energia, sta nel mezzo.
Un combustibile con una caratteristica straordinaria
L’idrogeno (H₂) è un gas incolore, inodore, insapore e altamente infiammabile. È l’elemento più abbondante dell’Universo osservabile, ma sulla Terra la situazione è molto diversa: l’idrogeno libero è relativamente raro e si trova soprattutto legato ad altri elementi. Un esempio è proprio l’acqua: ogni sua molecola è formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H₂O). L’idrogeno rappresenta circa l’11,19% della massa dell’acqua.
Ed è proprio qui che nasce il primo grande paradosso dell’idrogeno: è ovunque, ma quasi mai è disponibile nella forma che ci interessa. Per utilizzarlo dobbiamo prima separarlo dagli altri elementi con cui è combinato, e per farlo è necessario spendere energia.
L’idrogeno possiede però una caratteristica sorprendente: a parità di massa contiene una quantità di energia molto elevata. Il suo potere calorifico inferiore è infatti di circa 120 MJ/kg, contro valori indicativi di circa 30 MJ/kg per il carbone, 40 MJ/kg per il petrolio e 50 MJ/kg per il metano.
Il confronto, tuttavia, cambia radicalmente se consideriamo il volume: essendo l’elemento più leggero, l’idrogeno gassoso occupa uno spazio enorme. Ed è proprio questa una delle principali difficoltà da affrontare.
Un altro grande vantaggio è che l’idrogeno non contiene carbonio. Quando viene utilizzato come combustibile, la reazione con l’ossigeno produce principalmente acqua e non CO₂ direttamente dal combustibile; tuttavia, la combustione ad alte temperature può produrre comunque ossidi di azoto (Nox). Questo non significa, però, che l’idrogeno sia automaticamente “pulito”: tutto dipende da come lo produciamo.
Da dove arriva l’idrogeno?
L’idrogeno che utilizziamo non è generalmente estratto direttamente dall’ambiente come avviene, ad esempio, con il gas naturale. Deve essere prodotto separandolo dalle molecole nelle quali è contenuto.
Esistono diversi metodi di produzione, ai quali sono stati associati diversi colori. La classificazione non è perfettamente standardizzata e riconosciuta in modo ufficiale, ma è ormai entrata nel linguaggio comune.
Idrogeno marrone: dal carbone
L’idrogeno marrone viene prodotto attraverso la gassificazione del carbone.
Il carbone viene sottoposto a temperature elevate e trasformato in un gas di sintesi dal quale viene successivamente ricavato l’idrogeno. È una delle tecnologie con le maggiori emissioni di gas serra e può produrre anche monossido di carbonio e altre sostanze inquinanti. È, in altre parole, uno dei modi meno interessanti per cercare di rendere più sostenibile il nostro sistema energetico.
Idrogeno bianco: quello che arriva dalla Terra
Esiste però anche un idrogeno che non dobbiamo produrre: quello naturale o geologico, spesso chiamato idrogeno bianco. Può formarsi spontaneamente nel sottosuolo attraverso processi geologici e, in determinate condizioni, accumularsi in quantità sfruttabili. Se fosse possibile estrarlo economicamente da giacimenti naturali, il vantaggio sarebbe evidente: non sarebbe necessario spendere grandi quantità di energia per produrlo artificialmente. Ma anche in questo caso non bisogna pensare a una risorsa priva di impatto. L’estrazione richiede perforazioni e infrastrutture e presenta problematiche ambientali e di sicurezza analoghe, per certi aspetti, a quelle delle altre attività estrattive.
Idrogeno grigio: il più utilizzato
Oggi la maggior parte dell’idrogeno prodotto nel mondo deriva ancora dai combustibili fossili.
Il metodo più diffuso utilizza il gas naturale, principalmente attraverso lo Steam Methane Reforming (SMR). Il metano ha formula CH₄: un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno. Attraverso una serie di reazioni chimiche, l’idrogeno viene separato dal carbonio. Il problema è che quest’ultimo finisce in gran parte sotto forma di CO₂ nell’atmosfera.
Le emissioni complessive associate alla produzione di un chilogrammo di idrogeno da gas naturale possono arrivare indicativamente a 10-12 kg di CO₂ equivalente, considerando anche le emissioni della filiera. Il metano viene spesso definito il combustibile fossile “meno inquinante”, perché produce meno CO₂ per unità di energia rispetto al carbone e, generalmente, ai combustibili petroliferi. Ma la storia cambia quando si considerano le perdite di metano durante estrazione e trasporto: il metano è infatti un potente gas serra.
Idrogeno blu: catturare il carbonio
L’idrogeno blu parte sostanzialmente dallo stesso processo dell’idrogeno grigio, ma aggiunge una tecnologia fondamentale: la cattura e lo stoccaggio della CO₂ (CCUS). L’obiettivo è impedire che una parte significativa dell’anidride carbonica prodotta finisca nell’atmosfera. La CO₂ catturata può essere stoccata in formazioni geologiche profonde oppure, in alcuni casi, utilizzata in processi industriali, come il recupero avanzato del petrolio. Il vantaggio rispetto all’idrogeno grigio dipende però da quanta CO₂ viene realmente catturata e dalle emissioni di metano associate alla produzione e al trasporto del gas naturale.
Idrogeno turchese: il carbonio diventa solido
In questo caso il metano viene sottoposto a pirolisi, o thermal cracking, in assenza di ossigeno e acqua. La molecola di metano viene separata secondo una reazione relativamente semplice: CH₄ → C + 2H₂.
Il risultato sono idrogeno e carbonio solido, anziché idrogeno e CO₂.
Ed è proprio questo il punto interessante: il carbonio non viene disperso nell’atmosfera sotto forma di gas, ma rimane come materiale solido. A seconda del processo utilizzato e delle caratteristiche del carbonio prodotto, può essere destinato a diversi impieghi industriali, ad esempio nella produzione di materiali carboniosi, plastiche, pneumatici e altri prodotti.
Anche qui, però, nulla è gratis. Per rompere la molecola di metano sono necessarie temperature molto elevate e quindi molta energia. Se questa energia provenisse da fonti fossili, una parte del vantaggio ambientale verrebbe inevitabilmente ridotta.
Idrogeno rosa, viola e rosso: entra in gioco il nucleare
E se l’energia necessaria per produrre idrogeno arrivasse dal nucleare?
Nascono così le diverse definizioni di idrogeno rosa, viola o rosso, utilizzate nelle varie classificazioni per descrivere l’idrogeno prodotto sfruttando l’energia nucleare.
Il metodo più immediato è l’elettrolisi: l’elettricità prodotta da un reattore alimenta un elettrolizzatore che separa l’acqua nei suoi componenti: 2H₂O → 2H₂ + O₂.
Esiste anche una strada più complessa: utilizzare direttamente il calore prodotto da reattori nucleari ad alta temperatura per alimentare cicli termochimici capaci di separare l’acqua. Tra questi è particolarmente noto il ciclo zolfo-iodio, che richiede temperature molto elevate. Il vantaggio è quello di poter disporre di una fonte energetica continua, non dipendente dalle condizioni meteorologiche. Gli svantaggi sono quelli che accompagnano il nucleare: produzione e gestione dei rifiuti radioattivi, consumo idrico, impatto dell’estrazione dell’uranio e rischio di incidenti.
Idrogeno verde: trasformare il sole e il vento in gas
Ed eccoci all’idrogeno che più di tutti è entrato nell’immaginario della transizione energetica: l’idrogeno verde. Il principio è apparentemente semplice: utilizziamo l’elettricità proveniente da fonti rinnovabili per dividere l’acqua attraverso l’elettrolisi.
L’elettricità proveniente, ad esempio, da pannelli fotovoltaici, impianti eolici o centrali idroelettriche alimenta un elettrolizzatore, che separa le molecole d’acqua producendo idrogeno e ossigeno.
Tra le tecnologie utilizzate troviamo gli elettrolizzatori alcalini e quelli PEM (Proton Exchange Membrane). Questi ultimi sono particolarmente interessanti per applicazioni nelle quali è necessario seguire rapidamente le variazioni della produzione elettrica.
Ma perché produrre idrogeno se abbiamo già l’elettricità?
Perché l’idrogeno può fare qualcosa che una batteria, almeno in determinate applicazioni, fatica a fare: immagazzinare grandi quantità di energia per periodi molto lunghi.
Immaginiamo una giornata estremamente ventosa e soleggiata. I parchi eolici e fotovoltaici producono una grande quantità di elettricità, magari superiore alla domanda della rete. Una parte di quell’energia può essere utilizzata per produrre idrogeno. L’energia non viene quindi consumata immediatamente: viene trasformata in una molecola che potrà essere utilizzata anche molto tempo dopo.
È per questo che l’idrogeno viene definito vettore energetico, e non fonte primaria di energia. Non “creiamo” energia producendo idrogeno: trasformiamo energia disponibile in una forma che può essere conservata, trasportata e utilizzata successivamente. Ma questa trasformazione ha un prezzo.
L’elettrolisi ha un’efficienza che, a seconda della tecnologia e delle condizioni operative, può collocarsi indicativamente nell’ordine del 60-80%. Una parte dell’elettricità utilizzata viene quindi inevitabilmente trasformata in calore. Per ottenere energia sotto forma di idrogeno dobbiamo quindi investire più energia rinnovabile di quella che successivamente recupereremo dall’idrogeno stesso.
C’è poi l’acqua…
Dal punto di vista puramente stechiometrico, servono 8,93 litri di acqua per produrre un chilogrammo di idrogeno. Il consumo effettivo di un impianto può essere superiore, perché bisogna considerare anche il trattamento dell’acqua e altri utilizzi.
Un ulteriore aspetto riguarda il territorio. Se vogliamo produrre enormi quantità di idrogeno verde, dobbiamo prima disporre di enormi quantità di elettricità rinnovabile. Questo significa nuovi impianti fotovoltaici ed eolici, con il conseguente consumo di suolo e l’impatto paesaggistico.
Infine, gli elettrolizzatori non sono composti esclusivamente da materiali comuni: alcune tecnologie, come quelle PEM, utilizzano metalli preziosi e critici, tra cui platino e iridio.
E c’è un ultimo elemento da non sottovalutare: l’idrogeno che sfugge dagli impianti non è un gas serra diretto come la CO₂, ma può alterare la chimica dell’atmosfera e influenzare indirettamente la permanenza del metano, contribuendo così al riscaldamento globale. Ridurre le perdite è quindi importante anche dal punto di vista climatico.
Il problema che non si vede: dove metterlo?
Produrre idrogeno è solo metà della storia. Una volta ottenuto, bisogna conservarlo e portarlo dove serve. Ed è qui che le caratteristiche straordinarie dell’idrogeno si trasformano in un problema. L’idrogeno è l’elemento più leggero dell’Universo: a temperatura e pressione ambiente, un chilogrammo di idrogeno occupa un volume enorme. Per ridurre questo volume possiamo comprimerlo a pressioni elevatissime, fino a circa 700 bar nei veicoli, oppure liquefarlo, portandolo a circa −253°C. Entrambe le operazioni richiedono energia.
La liquefazione, in particolare, è estremamente energivora e può richiedere una quantità di energia equivalente a una quota molto significativa dell’energia contenuta nell’idrogeno stesso. Anche i materiali devono fare i conti con questo elemento così piccolo. L’idrogeno può penetrare nei metalli e provocare il cosiddetto infragilimento da idrogeno, un fenomeno che può alterare le proprietà meccaniche dei materiali e favorire la formazione o la propagazione di cricche. Non è quindi sufficiente costruire un normale serbatoio e riempirlo di idrogeno: occorre scegliere materiali, guarnizioni e componenti appositamente compatibili con il gas.
E quando l’idrogeno è liquido?
A −253 °C persino il miglior isolamento termico non riesce a fermare completamente il calore proveniente dall’ambiente. Una piccola parte dell’idrogeno tende quindi a evaporare: è il cosiddetto boil-off. Il gas prodotto deve essere gestito per evitare che la pressione all’interno del serbatoio aumenti eccessivamente. Questo può significare recuperarlo, ricomprimerlo oppure, in determinate condizioni, rilasciarlo in modo controllato. Ogni perdita significa però perdere anche una parte dell’energia precedentemente investita per produrre e liquefare l’idrogeno.
Trasportare l’idrogeno non è come trasportare il metano
Anche le infrastrutture devono essere ripensate. Non possiamo semplicemente prendere qualsiasi metanodotto esistente e utilizzarlo automaticamente per trasportare idrogeno puro al 100%. Alcune reti possono essere adattate o utilizzate per miscele di idrogeno e gas naturale, ma la compatibilità dipende dai materiali, dalle pressioni, dalle apparecchiature e dalle caratteristiche della rete. L’idrogeno può infatti favorire fenomeni di infragilimento, permeazione e perdita. Per trasportarlo via terra si possono utilizzare apposite cisterne, mentre il trasporto marittimo diventa particolarmente complesso quando è necessario mantenerlo allo stato liquido.
Una soluzione consiste nel trasformare l’idrogeno in un’altra sostanza più semplice da trasportare. È possibile, ad esempio, convertirlo in ammoniaca oppure utilizzare i cosiddetti LOHC, vettori organici liquidi capaci di legare e rilasciare l’idrogeno. Il vantaggio è una maggiore facilità di trasporto e stoccaggio; lo svantaggio è che bisogna spendere ulteriore energia per effettuare queste trasformazioni.
Un gas che richiede attenzione
L’idrogeno non è soltanto difficile da trasportare: richiede anche particolari precauzioni di sicurezza.
È infiammabile in un intervallo molto ampio di concentrazioni nell’aria, indicativamente dal 4% al 75% in volume, e possiede una bassa energia minima di ignizione. In determinate condizioni può quindi essere sufficiente una piccola sorgente di accensione, anche una scarica elettrostatica, per avviare la combustione.
Inoltre, proprio perché la molecola è estremamente piccola, l’idrogeno può fuoriuscire attraverso punti di tenuta che sarebbero sufficienti per altri gas. Gli impianti devono quindi essere progettati specificamente per questo elemento.
E c’è un’altra caratteristica che può sorprendere: la fiamma dell’idrogeno può essere quasi invisibile alla luce del giorno. Brucia producendo pochissimo fumo e una fiamma difficilmente percepibile a occhio nudo. Un incendio di idrogeno può quindi essere più difficile da individuare visivamente, rendendo particolarmente importanti sistemi di rilevamento e controllo adeguati.
E a Taranto?
A questo punto l’idrogeno smette di essere soltanto una questione tecnologica e diventa qualcosa di molto vicino a noi. A Taranto, infatti, l’idrogeno è entrato nel dibattito sulla riconversione dell’ex Ilva e sulla possibilità di ridurre drasticamente le emissioni dell’industria siderurgica.
La siderurgia tradizionale utilizza l’altoforno: il carbone, attraverso il coke e il monossido di carbonio, svolge un ruolo fondamentale nella rimozione dell’ossigeno dagli ossidi di ferro, ma è un processo che produce grandi quantità di CO₂. Una delle strade per ridurre queste emissioni è il DRI, Direct Reduced Iron, cioè la riduzione diretta del minerale di ferro. In una possibile fase di transizione può essere utilizzato il gas naturale; l’obiettivo più ambizioso è invece utilizzare l’idrogeno.
L’ossido di ferro reagisce con l’idrogeno e l’ossigeno viene sottratto al minerale. Per l’ossido ferrico possiamo rappresentarla così: Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.
L’idrogeno può sostituire il carbonio come principale agente riducente; tuttavia, il carbonio può comunque restare necessario o utile in altre fasi del ciclo siderurgico. Il risultato è il cosiddetto preridotto, o DRI, che può essere successivamente inviato ai forni elettrici ad arco (EAF) per la produzione dell’acciaio.
Se l’idrogeno viene prodotto utilizzando combustibili fossili, una parte importante del vantaggio viene persa. Anche l’elettricità utilizzata nei forni elettrici deve provenire, per quanto possibile, da fonti a basse emissioni.
Per Taranto si guarda quindi con particolare interesse all’idrogeno verde, anche alla luce dell’elevato potenziale della Puglia nella produzione di energia da sole e vento.
Conclusioni
Il percorso verso una siderurgia più sostenibile non sarà semplice e richiederà enormi quantità di energia, infrastrutture, investimenti e nuove tecnologie. Ma è proprio qui che l’idrogeno potrebbe assumere un ruolo decisivo: non come una magica fonte inesauribile di energia, ma come uno strumento capace di collegare due mondi che oggi sembrano difficili da conciliare, le fonti rinnovabili e quei settori industriali nei quali sostituire direttamente i combustibili fossili è estremamente difficile.
Ed è forse questo il vero motivo per cui vale la pena parlarne.
Non perché sia la soluzione a tutti i problemi energetici, ma perché potrebbe diventare uno degli strumenti con cui proveremmo a risolverli.
