Non solo verde...ecco tutti i colori dell'idrogeno

L'idrogeno è una fonte di energia che può rivoluzionare settori come i trasporti e la produzione di energia ma è ancora in via di sviluppo e in gran parte inutilizzata. La combustione dell’idrogeno non genera emissioni di gas serra (GHG) ma il suo impatto ambientale è legato ai processi che ne permettono la produzione e il consumo e varia notevolmente a seconda delle fonti energetiche utilizzate.

Queste variazioni hanno dato origine a un sistema di classificazione basato sui colori che consente di distinguere le varie "tonalità" di idrogeno e il loro effetto sulla sostenibilità netta. L'idrogeno verde è lo standard globale net-zero ma la sua scalabilità deve superare notevoli ostacoli infrastrutturali e di efficienza. L'elettrolisi dell'acqua alimentata a energia nucleare genera idrogeno rosa, con un ciclo di vita che rimane a zero emissioni di carbonio, ma la sua dipendenza dall'energia nucleare solleva altre problematiche. I metodi di produzione blu e turchese sono un compromesso tra sostenibilità e fattibilità economica. Quindi l'idrogeno nero, quello marrone e quello grigio rimangono economicamente più accessibili rispetto alle opzioni più ecologiche.

L'idrogeno nero e quello marrone derivano prevalentemente dal carbone ed entrambi vengono prodotti tramite gassificazione del carbone, un processo multifase in cui il carbone reagisce con ossigeno e vapore, ad alta temperatura, per produrre gas di sintesi (syngas). Si tratta di una miscela di gas, uno dei quali è l'idrogeno. 

L'idrogeno nero deriva dalla combustione del carbone bituminoso, denso e considerato di alta qualità. L'idrogeno marrone, invece, è prodotto dalla lignite, una versione più giovane e meno compatta con un contenuto di umidità più elevato e una densità energetica inferiore. 

In termini di impatto ambientale, la produzione dell'idrogeno nero e di quello marrone è piuttosto simile ed entrambi i metodi sono relativamente efficienti. Tuttavia, la loro dipendenza dai combustibili fossili senza cattura del carbonio può annullare alcuni dei benefici di sostenibilità associati all’energia dell’idrogeno.

La gassificazione del carbone inizia con la polverizzazione e il trattamento del carbone per la rimozione delle impurità e procede con le seguenti fasi.

1. Essiccazione e pirolisi (devolatilizzazione)

In questa fase iniziale, il carbone viene riscaldato per rimuovere umidità e sostanze volatili e per separare il carbone in altri elementi e materiali. L'essiccazione avviene a circa 200 °C (392 °F), seguita da pirolisi a temperature comprese tra 300 °C (572 °F) e 700 °C (1,292 °F). Durante la pirolisi, le molecole di carbone più grandi si decompongono in prodotti gassosi più piccoli - soprattutto metano (CH₄), idrogeno (H₂), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO₂) - e catrame.

2. Combustione

Una parte del carbone (C) è char - il residuo solido della pirolisi - e reagisce con i gas volatili e l'ossigeno (O₂) in una reazione di combustione controllata. Questa reazione esotermica fornisce il calore necessario alle successive reazioni di gassificazione. La combustione è sia completa che parziale e genera gas di anidride carbonica e monossido di carbonio.

C + O₂ → CO₂ (combustione completa)
2C + O₂ → CO (combustione parziale)

3. Reazioni di gassificazione

La gassificazione fa reagire il carbone rimanente con vapore (H₂O) e ossigeno ad alta temperatura - 1.200-1.500 °C (2,192-2,732 °F) - in un ambiente riducente, generando idrogeno e altri gas. Le reazioni primarie di gassificazione sono: 

Reazione acqua-gas: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (endotermica)
Reazione di Boudouard: C + CO₂ ⇌ 2CO (endotermica)   

Queste reazioni producono gas di sintesi, una miscela composta principalmente da monossido di carbonio e idrogeno, oltre che da anidride carbonica e altri gas in traccia.

4. Metanazione

In alcuni casi si procede a un ulteriore passaggio, la cosiddetta metanazione, per aumentare il contenuto di metano del gas di sintesi. A volte, questo viene definito "metano sintetico" se si utilizzano idrogeno verde e CO₂ riciclata o CO₂ derivante dalla cattura diretta dell'aria (DAC). Ciò richiede la reazione del monossido di carbonio con l'idrogeno in presenza di un catalizzatore:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (esotermica)

5. Pulizia e valorizzazione del gas di sintesi

Il gas di sintesi grezzo contiene impurità che devono essere rimosse prima di poterlo utilizzare per le fasi successive. In genere, questo processo di pulizia prevede i seguenti passaggi:

• Rimozione della polvere, con tecniche di separazione fisica per rimuovere il particolato. 
• Rimozione dello zolfo, dove composti quali l'acido solfidrico (H₂S) vengono rimossi attraverso lo scrubbing amminico o processi simili. 
• Rimozione dell'anidride carbonica, dove la CO₂ viene catturata e sequestrata o utilizzata in altri processi industriali.

6. Separazione e trattamento dell'idrogeno

Il passaggio finale è la separazione dell'idrogeno dalla miscela di gas di sintesi purificata. Ciò si può ottenere con vari metodi ma i due più comuni sono i seguenti:

• Adsorbimento a pressione modulata, che utilizza materiali adsorbenti per catturare selettivamente il monossido di carbonio, lasciando dietro di sé idrogeno purificato. 
• Separazione a membrana, che impiega specifiche membrane che consentono il passaggio dell'idrogeno ma trattengono gli altri gas.

L'idrogeno grigio è il tipo più comune attualmente utilizzato nell'industria e viene prodotto attraverso reforming del metano con vapore (SMR) o reforming autotermico (ATR). Entrambi questi metodi richiedono una materia prima idrocarburica costituita principalmente da metano e la fonte utilizzata più frequentemente è il gas naturale.

Prelievo del gas naturale ed estrazione di idrogeno

Il gas naturale è un gas inodore e incolore che si trova prevalentemente sotto la superficie terrestre, vicino ai giacimenti di petrolio. Formatasi nel corso di milioni di anni per effetto della decomposizione di materia organica sottoposta a elevati valori di calore e pressione, questa versatile fonte di energia è diventata indispensabile per la società moderna e viene utilizzata nelle case, nelle industrie e per produrre elettricità. Inoltre, è la materia prima di diversi composti che alla fine vengono trasformati in prodotti quali tessuti sintetici, antigelo, vernici, materiali di imballaggio, shampoo, lozioni e fertilizzanti.

Questo gas si trova in formazioni rocciose porose e permeabili chiamate "rocce serbatoio" ed è spesso intrappolato sotto strati di roccia impermeabile che ne impediscono la fuoriuscita. Questi giacimenti possono essere situati sotto la terraferma o al largo sotto il fondale marino. Per individuare le riserve nascoste di gas naturale sono necessarie indagini geologiche sofisticate, imaging sismico e trivellazioni esplorative. Una volta identificato un potenziale giacimento, inizia il processo di estrazione, spesso mediante una combinazione di tecnologie adattate alle specifiche condizioni geologiche.

Il metodo di estrazione più comune prevede la perforazione di un pozzo nel giacimento e la creazione di un condotto per far fluire verso la superficie il gas intrappolato. Questo flusso viene spesso originato dalla pressione naturale del giacimento stesso. Successivamente, durante l'estrazione del gas la pressione diminuisce e, per mantenere la produzione, occorre ricorrere a tecniche di sollevamento artificiale che utilizzano pompe o compressori.

Una volta raggiunta la superficie, il gas naturale estratto - spesso contenente impurità quali vapore acqueo, sabbia e altri gas - viene sottoposto a una serie di fasi di lavorazione. Questi passaggi sono fondamentali per rimuovere le impurità, separare i componenti utili e preparare il gas a essere utilizzato. Il gas naturale lavorato viene poi trasportato tramite condotte o metaniere, in formato compresso (CNG) o liquefatto (LNG), e distribuito ai consumatori di tutto il mondo. 

La prevalenza dell’idrogeno grigio è dovuta principalmente all’abbondanza di gas naturale. Inoltre, i processi di reforming SMR e ATR hanno una minore intensità di carbonio rispetto alla gassificazione del carbone e rendono questa scelta preferibile rispetto all'idrogeno nero e a quello marrone. Integrando la cattura, il trasporto e il sequestro del carbonio, l'idrogeno blu fa fare un ulteriore passo avanti ai processi SMR e ATR ma aumenta notevolmente le spese operative. 

La transizione verso sistemi energetici completamente rinnovabili è l’obiettivo finale nella catena del valore dell’idrogeno ma la soluzione provvisoria è rappresentata dalla miscelazione dell'idrogeno al gas naturale nelle centrali elettriche esistenti. Per avere successo, questa soluzione richiede operazioni estremamente precise di misura della portata e strumenti di analisi del gas in tempo reale che garantiscano l'adeguatezza della miscela di gas. A concentrazioni pari o inferiori al 20%, a seconda delle normative nazionali, l'idrogeno può essere miscelato anche nelle reti di gas naturale residenziali e commerciali.

Ciò riduce le emissioni perché l'idrogeno brucia in modo più pulito del gas naturale. E se gli elettrodomestici possono bruciare miscele di gas naturale e idrogeno a concentrazioni non superiori al 20%, le turbine a gas delle centrali elettriche possono bruciare miscele molto più ricche, arrivando anche al 100% di idrogeno con i modelli più nuovi.

Gli approcci di miscelazione consentono una transizione graduale verso fonti energetiche più pulite senza richiedere la sostituzione immediata e completa delle infrastrutture esistenti riducendo, di conseguenza, la necessità di ingenti investimenti di capitale in centrali elettriche e condotte di nuova concezione.

Il successo di questa strategia dipende in larga misura dalla fonte di idrogeno. Mentre la miscelazione di idrogeno grigio, marrone o nero ha un impatto ambientale, anche se limitato, dovuto alle emissioni del processo di produzione, l'utilizzo di idrogeno verde prodotto da fonti rinnovabili riduce notevolmente le emissioni complessive di gas serra, supportando l'obiettivo di "emissioni nette zero".

Con l'evoluzione dell’idrogeno come fonte energetica, è indispensabile conoscerne i vari tipi, i relativi metodi di produzione e il diverso impatto ambientale. L'idrogeno verde è l'obiettivo finale net-zero ma l'idrogeno a basse emissioni di carbonio, quello nero, quello marrone e quello grigio sono essenziali per far progredire le infrastrutture, la ricerca e la diversificazione energetica.

Considerato che l’umanità dovrà affrontare il cambiamento climatico nei prossimi decenni, garantire la continuità e la sostenibilità dell’energia richiederà fonti energetiche diversificate. Gli ostacoli da superare sono ancora molti ma l’idrogeno è promettente come vettore pulito, versatile e sostenibile.