Un pieno di idrogeno
La «società dell’idrogeno» forse non è lontana dal divenire realtà. Entro qualche decina di anni lo scenario attualmente dominato dal petrolio potrebbe radicalmente cambiare. Ma che cos’è la società dell’idrogeno? Per chiarirlo, occorre innanzitutto spiegare che cos’è l’idrogeno e a cosa serve. L’idrogeno è l’elemento più diffuso dell’universo, ed è anche il più semplice. È composto da un solo protone e un solo elettrone, e proprio grazie alla sua elementare struttura può essere utilizzato come trasportatore di energia. In altre parole l’idrogeno costituisce una preziosa riserva energetica, sempre a disposizione e pronta all’uso. Ovviamente non è tutto cosí facile: l’idrogeno sotto forma di singola molecola, infatti, si trova in tutto l’universo tranne che sulla Terra. Per produrlo bisogna ricorrere a procedimenti dispendiosi dal punto di vista energetico. Ecco perché l’idrogeno non va considerato come una fonte, ma come un vettore di energia. I vantaggi del suo utilizzo risiedono proprio nella possibilità di stoccarlo, trasportarlo e utilizzarlo solo in caso di necessità, mentre oggi l’energia elettrica non può essere immagazzinata, e va utilizzata nel momento stesso in cui viene prodotta. Inoltre, la combustione dell’idrogeno non produce anidride carbonica, come nel caso dei combustibili fossili, ma solo acqua.
Nella società dell’idrogeno i consumi elettrici legati ai trasporti, alle necessità domestiche e al riscaldamento saranno soddisfatti grazie all'utilizzo di questo elemento. In realtà i problemi da risolvere sono ancora molti, quasi tutti legati alla produzione. Attualmente esistono due tecniche produttive: l’elettrolisi dell'acqua e lo steam reforming (“trasformazione con vapore”) del metano. La prima consiste nel separare l’idrogeno dall’ossigeno dell’acqua. La seconda è un processo in cui il metano reagisce con il vapore acqueo alla temperatura di 800 °C, libera atomi di idrogeno, ma rilascia anidride carbonica come sottoprodotto. In entrambi i casi si ha una perdita di energia del 25%. La produzione è ancora piuttosto costosa. Nel caso dell’elettrolisi, infatti, l’acqua utilizzata deve essere demineralizzata e, nel caso dello steam reforming, l'idrogeno prodotto va purificato dai residui di vapore acqueo, entrambi processi che richiedono energia.
L’idrogeno deve poi essere immagazzinato e trasportato. Attualmente può essere stoccato in bombole simili a quelle utilizzate per il metano, comprimendolo o rendendolo liquido a bassissima temperatura (-253° C). Un altro metodo è quello degli idruri metallici, ossia leghe con una struttura cristallina tale da permettere all’idrogeno di insinuarsi nelle cavità del reticolo. Con questa tecnica si può immagazzinare, a parità di volume, una quantità di gas dieci volte superiore a quella delle normali bombole, ma ci sono diversi inconvenienti. I contenitori, oltre ad essere pesantissimi, necessitano di condizioni di temperatura stabili. Inoltre gli idruri metallici sono materiali che «hanno memoria», cioè ad ogni ciclo mantengono residui del processo, per cui la loro durata è limitata. La prospettiva per il futuro è quella di creare dei veri e propri idrogenodotti, in grado di trasportare rapidamente l’idrogeno dal luogo di produzione a quello di utilizzo.
L'idrogeno può essere utilizzato per soddisfare i «medi consumi», che sono quelli che riguardano più direttamente i singoli cittadini, e si riferiscono in particolar modo ai trasporti e alle esigenze domestiche, come il riscaldamento. Per quanto riguarda i mezzi di trasporto, l’utilizzo dell’idrogeno può avvenire in due modi. Il primo consiste nell’utilizzarlo come combustibile per un motore a combustione interna, simile a quelli esistenti attualmente. Questo tipo di utilizzo avrebbe l’effetto di liberare le città da gran parte dei gas di scarico ma l'attuale rendimento, in relazione ai costi necessari a produrre l’idrogeno, è ancora molto basso. La seconda possibilità è quella di sfruttare il gas per produrre, mediante l’utilizzo di celle a combustibile, energia elettrica in grado di alimentare un motore elettrico.
Le celle a combustibile sono strumenti capaci di convertire l’idrogeno in energia elettrica. Ne esistono cinque tipi; le più indicate per i medi consumi sono le celle a membrana polimerica. Il funzionamento di queste celle si basa sull’utilizzo di un sottilissimo strato di niflom, un materiale in grado di lasciarsi attraversare dai protoni, ma non dagli elettroni. Creando una differenza di potenziale ai due lati della membrana, gli elettroni degli atomi di idrogeno sono costretti a separarsi dai protoni e a cercare una strada alternativa per raggiungere l’anodo. Questi elettroni vengono incanalati in un circuito elettrico per ottenere una corrente utilizzabile.
In via Livorno n° 60 a Torino sorge l’Evironment Park. Non è un normale parco cittadino, ma un parco scientifico tecnologico il cui scopo è promuovere lo sviluppo della ricerca applicata a temi ambientali, cerniera tra le attività dell’Università, dei centri di ricerca e delle aziende.
Nel 2002 nasce al suo interno l’HySy-Lab (Hydrogen System Laboratory) per iniziativa del Comune di Torino, del Politecnico e di altre industrie locali. «La collaborazione tra il settore pubblico e quello privato ha permesso l’intera realizzazione del laboratorio in soli due anni», dice l’ingegner Giuseppe Gianolio, responsabile del laboratorio. «Lo scopo principale non è fare ricerca di base ma sperimentare e migliorare tecnologie già esistenti nel campo dell’idrogeno; uno degli altri scopi è diffondere la conoscenza della nuova tecnologia sul territorio, a partire dalle scuole fino alle piccole e medie imprese». Le ricerche riguardano in particolare la produzione, lo stoccaggio e le applicazioni nei trasporti. L'HySy-Lab offre anche la possibilità a laureandi di Ingegneria Energetica e Chimica di svolgere una tesi presso i propri laboratori.
(Paolo Gritti e Alessandra Masala)
Anche il rendimento delle celle a combustibile a membrana polimerica è ancora piuttosto basso. Per alimentare un motore elettrico occorre metterne in serie almeno una decina, formando quello che si chiama stack. Sebbene le celle a combustibile siano già potenzialmente utilizzabili nel campo dei trasporti, i loro costi di produzione sono ancora troppo alti.
Sono in fase di studio sistemi basati sull’utilizzo di celle a combustibile per la produzione di energia elettrica in piccoli condomini. Le celle, inoltre, producono calore, e devono essere costantemente raffreddate; l’acqua di raffreddamento, che raggiunge i 60 gradi centigradi, può essere utilizzata per usi domestici e come fonte di riscaldamento. Attualmente, questo sistema è in grado di soddisfare le esigenze di gruppi composti da quattro o cinque famiglie.
Il dibattito intorno alla possibilità di creare una società dell'idrogeno è molto acceso. C'è chi ritiene l'idrogeno la soluzione ai terrificanti scenari energetici e climatici che si prospettano per i prossimi cento anni, e chi pensa che si tratti invece di un'alternativa circoscritta, enfatizzata ed esaltata per scopi pubblicitari. Certo è che la mancanza di personale tecnico specializzato offre già da oggi una positiva opportunità di lavoro per centinaia di giovani.
Paolo Ranghino
A Settimo Torinese sta per essere ultimato il primo impianto in Piemonte per la produzione, lo stoccaggio e l'utilizzo dell'idrogeno estratto da fonti rinnovabili. L'Asm S.p.A. (Azienda Sviluppo Multiservizi) del Comune di Settimo, ha deciso di finanziare, con oltre un milione di euro, il progetto "Primo Settimo", il quale prevede la costruzione di un impianto a idrogeno che, entro breve, fornirà energia elettrica pulita e rinnovabile alla palazzina di quattro piani dove hanno sede i suoi uffici, rendendola indipendente dalla rete tradizionale di rifornimento. Il progetto, che ha visto la luce nella primavera del 2003, è nato da un'idea di Adriano Marconetto (uno dei pionieri dell'Mp3) e si sta concretizzando grazie alla collaborazione con Emilio Paolucci (professore al Politecnico di Torino) e Woodrow Clark (University of California).
L'impianto, spiega Marconetto, "trarrà energia dai pannelli solari della potenza di 100 kW, in parte per utilizzarla direttamente e in parte per estrarre l'idrogeno dall'acqua con l'elettrolisi. L'idrogeno verrà usato nelle celle a combustibile per fornire energia al palazzo quando è buio o nuvoloso, ma potrà anche alimentare un distributore che stiamo costruendo sul posto per l'alimentazione delle future auto a celle a combustibile". Grazie ai pannelli fotovoltaici si ottiene quello che viene definito "idrogeno verde", derivato esclusivamente da fonti rinnovabili, in contrapposizione all'"idrogeno nero", cioè quello estratto usando l'energia fornita dal petrolio. Ogni giorno verranno prodotti 76 Nm3 di questo idrogeno verde o "pulito". I vantaggi ambientali derivanti dall'uso di questo impianto saranno notevoli. Ogni anno verranno prodotti 108 MWh di energia elettrica "pulita" e, contemporaneamente, sarà evitata l'emissione di 148 tonnellate di anidride carbonica. Per quanto riguarda l'energia termica (caldo d'inverno e freddo d'estate) "pulita", invece, la produzione sarà di 370 MWh.
In parallelo, un team di ricercatori sta studiando l'impiego su larga scala dell'idrogeno, le linee guida per la sicurezza, lo sviluppo e realizzazione di un sistema di controllo globale, la messa a punto di un software di controllo, la durata dei materiali, l'efficienza dei componenti e la fattibilità economica degli investimenti. L'aspetto economico è senz'altro un fattore limitante, ma "non bisogna dimenticare che - continua Marconetto -, se fino a un paio di anni fa i costi erano quasi improponibili, oggi la situazione è molto cambiata. Le tecnologie necessarie cominciano a essere disponibili in modalità non più solo sperimentale e quindi anche i costi si sono notevolmente ridotti. Abbiamo calcolato che in due o tre anni si potrebbero avere risultati economici ragionevoli. La prospettiva del business vero, adesso, è di 10-12 anni, mentre fino a poco tempo fa non esisteva neppure una vera ipotesi economica". Pianeta, la società che sta realizzando il progetto, è ora pronta a investire e collaborare con le istituzioni piemontesi che, per le Olimpiadi invernali del 2006, hanno in previsione di realizzare a Cesana un impianto simile a quello di Settimo e una stazione di distribuzione per autoveicoli a idrogeno.
(Daniela Guenzani)
Per ottenere idrogeno puro è necessario produrre energia sufficiente a "strapparlo" da altre molecole e questa energia proviene ancora in massima parte da quelle fonti che dovrebbe andare a sostituire. Incoraggianti prospettive arrivano da eolico, solare e fotovoltaico ma la ricerca è alla caccia di metodiche di estrazione dell'idrogeno che abbiano sull'ambiente impatto zero. Ed ecco che i batteri, i funghi, i lieviti ma anche le alghe escono dal loro anonimato per salire alla ribalta delle nuove tecnologie. In natura viene prodotto idrogeno puro da tappe specifiche della fermentazione microbica e della ben nota fotosintesi clorofilliana. Da qui gli studi effettuati presso numerosi laboratori di ricerca per convincere microrganismi di ogni sorta a velocizzare i loro consueti processi per ottenere idrogeno più in fretta, in quantità maggiori e per giunta a basso costo.
Una minuscola alga verde del genere Chlamydomonas è oggetto di attenzioni da parte di un gruppo di ricercatori dell'Università di Padova che lavora al progetto "Metodologie innovative per la produzione di idrogeno da processi biologici", in collaborazione con Enea e Cnr. L'idea consiste nell'utilizzare il normale processo fotosintetico dell'alga stimolando il suo corredo enzimatico a una maggiore reattività alla luce in modo da accrescere la produzione del prezioso idrogeno. Bisogna solo fornire all'alga acqua, anidride carbonica e luce solare. Nella prima parte del processo l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno e nella seconda fase l'anidride è trasformata in glucosio, il nutrimento vero e proprio dei vegetali. Al momento l'efficienza di conversione (rapporto tra idrogeno prodotto e luce solare fornita) è piuttosto bassa e si aggira intorno al 5%.
Un intoppo è rappresentato dall'intolleranza del sistema biologico all'ossigeno prodotto nella scissione dell'acqua. Un trucco per aumentare la produzione consiste nell'allontanare subito il gas concorrente o nel selezionare tipi cellulari tolleranti all'ossigeno. Alcuni ricercatori del National Renewable Energy Laboratory di Golden in Colorado ci hanno provato con un batterio fotosintetico: il Rhodospirillum rubrum, capace di sviluppare idrogeno dall'acqua anche in presenza di ossigeno grazie alla sua portentosa idrogenasi, un particolare enzima produttore di idrogeno. Tramite manipolazioni genetiche si sta cercando di inserire tale vantaggioso enzima in altre cellule batteriche o addirittura in alghe verdi: l'efficienza aumenterebbe fino al 10-12%.
Accanto all'allevamento in cattività di sistemi cellulari cosiddetti whole-cell ("a cellula intera") un'ulteriore fase di ricerca sta tentando la realizzazione di sistemi cell-free ("privi di cellule") che utilizzano i soli enzimi specifici. In questo modo si ovvierebbe al problema di mantenere in vita gli organismi e la produzione di idrogeno sarebbe più costante e più efficace, raggiungendo punte del 25%. In alcuni casi si è sostituita del tutto la natura con processi esclusivamente elettrochimici. Negli anni Novanta, presso l'Istituto Federale Svizzero, comincia la sperimentazione della "foglia artificiale", nella quale al posto della clorofilla si utilizza un pigmento bianco, il biossido di titanio, sostanza facilmente rintracciabile nell'etichetta di paste dentifrice, pastiglie medicinali e vernici. Il sistema (vagamente assimilabile al fotovoltaico) è costituito da larghi moduli e pannelli che mimano il processo fotosintetico producendo , invece che glucosio, idrogeno ed elettricità. La resa sarebbe del 7% con luce solare diretta e dell'11% con luce diffusa. Ed ecco un nuovo problema. Tutte le modalità finora passate in rassegna non possono fare a meno di un formidabile alleato: il Sole. Ma che succede se la giornata è nuvolosa o peggio ancora di notte? Si sono identificate per questa ragione circa 400 specie di batteri capaci di combinare, nell'oscurità più completa, monossido di carbonio e acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno. Alcune specie di cianobatteri (chiamati anche alghe blu) si sono mostrate finora le migliori candidate all'esperimento.
In una sorta di reazione inversa che può fare completamente a meno della luce, presso l'Università del Wisconsin vengono impiegati microrganismi che a partire dal prodotto zuccherino finale della fotosintesi (glucosio ma anche xilosio, lattosio e saccarosio) liberano idrogeno, questa volta tramite l'azione di enzimi decompositori, raggiungendo un'efficienza del 50%. I protagonisti principali sono due batteri ipertermofili (quelli che muoiono di freddo se la temperatura scende al di sotto degli 80°C) dai significativi nomi: Thermoplasma acidophilum e Pyrococcus furiosus. Anche l'Escherichia coli, il comune costituente della nostra flora batterica intestinale, si è dimostrato un candidato promettente. Essendo di bocca buona, grazie alla capacità di far andare in decomposizione la materia organica, è stato alimentato a torsoli di mela, bucce di banana e rifiuti di cucina in genere, per produrre idrogeno. Con questo vivace microbo basterebbe una fornitura di soli 50 grammi di zucchero per tenere accesa una lampadina da 40 watt per un tempo leggermente inferiore alle 8 ore!
(Laura Somà)
Arduo produrre idrogeno con metodi “bio”: dovremmo avere a disposizione una vispa colonia di batteri o alghe di fondale oceanico o per lo meno riuscire ad estrarre i nostri coliformi fecali. Affidiamoci dunque a metodi più casalinghi. Occorrono della pellicola da cucina di alluminio, dell’acido muriatico e un bicchiere di vetro. Dopo aver prodotto alcune pallottoline di alluminio del diametro di qualche millimetro, metterle nel bicchiere e aggiungere abbastanza acido da ricoprirle. Sono necessari alcuni minuti per concedere alla reazione di attivarsi e quindi ecco che a poco a poco, dapprima pressoché invisibili e poi sempre più evidenti, si formano bollicine di gas sulla superficie dell’alluminio. Le pallottole si vanno dissolvendo, la soluzione si colora lentamente di grigio piombo e nel giro di pochi minuti è tutta un bollore. Avendo a disposizione un termometro da laboratorio è interessante monitorare la variazione della temperatura per l’intera durata dell’esperienza. L’acido muriatico (acido cloridrico diluito al 12-13%) reagisce con l’alluminio formando cloruro di alluminio, di colore grigio scuro, e un gas altamente volatile: l’idrogeno, responsabile della notevole effervescenza. Il tutto avviene con aumento della temperatura (reazione esotermica) passando da quella ambiente a più di 90°C. Conservando la miscela ottenuta per un po’ di tempo, al posto del liquido grigio ne comparirà uno color giallo-verde tipo pennarello evidenziatore. Lasciata evaporare, la soluzione darà dei bei cristalli del medesimo colore.
(Laura Somà)
11 giugno 2004