L’idrogeno è una risposta alla crisi climatica?

Le sfide aperte sul tema dell’idrogeno

Sintesi dell’articolo (per chi ha poco tempo …)

La crisi climatica globale esige soluzioni innovative, e l'idrogeno emerge come un potenziale game changer nel panorama energetico. Questo elemento, il più abbondante nell'universo, presenta un'enorme promessa per la de-carbonizzazione di vari settori, nonostante le sfide legate alla sua produzione, stoccaggio e distribuzione.

La produzione di idrogeno attualmente è dominata dal processo di reforming del gas naturale, responsabile di significative emissioni di carbonio. Tuttavia, l'idrogeno prodotto tramite elettrolisi - in particolare quando alimentato da fonti rinnovabili (noto come 'idrogeno verde') - offre una via praticamente priva di emissioni. Mentre la tecnologia dietro questa forma di produzione deve ancora raggiungere la scala commerciale, gli investimenti e gli interessi in questo settore stanno crescendo a un ritmo senza precedenti.

L'amministrazione del Presidente Biden ha espresso un forte sostegno per le tecnologie dell'idrogeno verde, evidenziando il suo potenziale per creare numerosi posti di lavoro, oltre a ridurre le emissioni di gas serra.

Tuttavia, le sfide persistono. L'infrastruttura esistente deve essere significativamente ampliata per gestire la produzione e il trasporto di idrogeno. Inoltre, poiché l'idrogeno è il gas più leggero, presenta sfide uniche in termini di stoccaggio e trasporto. Le questioni relative alla sicurezza sono di primaria importanza; poiché l'idrogeno è altamente infiammabile, il suo uso su larga scala richiederà lo sviluppo e l'attuazione di nuove norme e protocolli di sicurezza.
Mentre alcuni progressi sono stati fatti, c'è un bisogno urgente di ulteriori ricerche e sviluppo di linee guida, per assicurare che l'idrogeno possa essere prodotto, immagazzinato, trasportato e utilizzato in modo sicuro.
Nel settore dei trasporti, l'idrogeno ha un potenziale particolarmente interessante. Le auto elettriche con celle a combustibile rappresentano solo una frazione del mercato attuale, ma l'idrogeno potrebbe essere particolarmente rivoluzionario nel trasporto pesante, dove la densità energetica delle batterie rimane una sfida significativa.
In conclusione, mentre l'idrogeno verde non è una panacea, ha un potenziale notevole per aiutare il mondo a raggiungere i suoi obiettivi di riduzione delle emissioni. Richiederà un impegno congiunto tra governi, industria e stakeholder accademici per superare le sfide esistenti e sfruttare questa risorsa al massimo delle sue possibilità. La strada verso un futuro sostenibile richiede una considerazione seria di tutte le opzioni disponibili, e l'idrogeno verde merita sicuramente un posto in quella discussione.

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Immaginiamo di alimentare le auto, gli aerei, i treni, le industre a idrogeno …

Quello che tutti noi vogliamo sentirci dire è che il futuro delle energie pulite potrebbe essere più vicino di quanto pensiamo, grazie al potenziale dell'idrogeno.

Risolverebbe il problema delle batterie, delle terre rare, della predominanza cinese sul futuro della mobilità, … e quindi l’attenzione sullo sviluppo di questa fonte energetica, in particolare sulla produzione green di questa molecola, è sempre alta e piena di attese.

Questa mattina ho potuto apprezzare un recente articolo del New York Times, dove David Gelles esplora le promesse e le sfide che accompagnano l'utilizzo dell'idrogeno come fonte energetica sostenibile. "Imagine a fuel capable of powering cars, planes and factories, just like gasoline or natural gas. But instead of emitting greenhouse gases, it releases only water vapor," scrive Gelles, sottolineando l'assenza di emissioni nocive quando si utilizza l'idrogeno.

L'idrogeno non è una risorsa naturale

L'idrogeno non è una risorsa naturale come il petrolio o il gas, ma piuttosto un mezzo di immagazzinamento dell'energia che, per essere prodotto richiede una notevole quantità di energia.

Attualmente, la maggior parte dell'idrogeno viene prodotta bruciando gas naturale, un processo che contribuisce significativamente all'impronta carbonica. Tuttavia, come sottolinea Gelles, gli elettrolizzatori, che dividono l'acqua in idrogeno e ossigeno, possono essere alimentati da energie rinnovabili.

"Clean hydrogen produced with resources like wind and solar, that lets us get us to this place where we’re not putting more carbon in the atmosphere," ha affermato il Presidente Biden, annunciando un investimento significativo nell'idrogeno.

Questo passo evidenzia l'impegno verso un futuro in cui l'idrogeno è pulito, accessibile e abbondante.

Si tratta di un passaggio fondamentale per il rispetto dell’Agenda 2050 e la mia visione concorda con quella di Jack Brouwer, professore di ingegneria all'Università della California, Irvine, e direttore del National Fuel Cell Research Center, il quale vede un "virtuous cycle" nell'uso dell'idrogeno. La sua energia e la sua conversione efficiente in elettricità attraverso le celle a combustibile lo rendono ideale per il settore della mobilità e dei trasporti, specialmente in ambiti dove le batterie tradizionali risultano limitate.

Tuttavia, il passaggio all'idrogeno presenta sfide, come l'infrastruttura inadeguata e l'accesso all'acqua necessaria per la sua produzione. "Where the water is, is kind of the tricky part," afferma Brouwer. Ma con un mix di finanziamenti, innovazione e politiche adeguate, queste barriere possono essere superate.

Davide Gelles nel suo articolo ci ricorda però come sia essenziale comprendere che l'idrogeno non è una soluzione magica, ma un tassello fondamentale di un futuro energetico più pulito e sostenibile. Le iniziative come quella del Presidente Biden sono passi verso la realizzazione di questo futuro, ma devono essere accompagnate da un impegno globale e da investimenti continui in ricerca e sviluppo. Solo così possiamo sperare di costruire un mondo in cui le energie rinnovabili, come l'idrogeno, siano la norma e non l'eccezione.

Idrogeno: non c’è solo un problema di produzione green, anche di trasporto

Ma se esaminiamo il futuro dell'idrogeno, non possiamo ignorare le sfide che questo elemento presenta in termini di produzione, immagazzinamento e trasporto, tutti aspetti che comportano specifiche questioni di sicurezza.

L'idrogeno, con la sua tendenza a rendere fragili i materiali, la facilità con cui può sfuggire al contenimento, il suo vasto intervallo di infiammabilità e la bassa energia necessaria per la sua combustione, pone indubbiamente degli ostacoli al suo utilizzo sicuro.

Affinché l'economia dell'idrogeno possa prosperare, è fondamentale che i progressi tecnologici procedano di pari passo con lo sviluppo di normative e standard specifici.

Questo approccio non solo garantirà un utilizzo sicuro dell'idrogeno ma stabilirà anche un terreno di gioco regolamentato per i produttori, conciliando la protezione dei consumatori con la concorrenza di mercato.

A livello globale, il Comitato Tecnico ISO 197 sta lavorando allo sviluppo di standard associati alle applicazioni dell'idrogeno. Alcune linee guida per applicazioni specifiche, come quelle per tubazioni e condotte (ASME B31.12), sono già operative, ma altre sono ancora in fase di elaborazione.

Questo ha portato all'adozione di regolamenti locali, spesso basati su quelli esistenti per il gas naturale, integrati da misure specifiche che tengono conto delle unicità dell'idrogeno.

Nel contesto delle reti di distribuzione, diventa essenziale capire quali dovrebbero essere le distanze di sicurezza tra le installazioni di idrogeno e le strutture circostanti.

Questa valutazione è particolarmente importante dato che l'industria dell'idrogeno è in una fase nascente e delle restrizioni troppo severe potrebbero influenzare negativamente la sua accettazione da parte del grande pubblico.

La sicurezza nell'utilizzo dell'idrogeno come carburante è un tema che sta guadagnando sempre più attenzione.

L'idrogeno, come abbiamo accennato, con la sua elevata infiammabilità e i suoi requisiti specifici di stoccaggio e trasporto, porta con sé sfide distintive. 

L'evoluzione della modellistica attraverso la dinamica dei fluidi computazionale ha aperto la strada a previsioni più accurate del comportamento del gas in varie situazioni, soprattutto in spazi con diversi tipi di ventilazione.

Allo stesso tempo, la gestione dei rischi legati ai rilasci di idrogeno all'aperto è complicata dall'interplay di numerosi fattori, inclusi la localizzazione del rilascio, la dimensione della fessura, le potenziali fonti di accensione e le specifiche condizioni meteorologiche al momento del rilascio.

Pur essendo la probabilità di una detonazione all'aperto relativamente bassa, il rischio di deflagrazione persiste, specialmente se la concentrazione di gas supera una certa soglia in un ambiente confinato. Questo rende essenziale un approccio di sicurezza sofisticato e multiforme.

Gli incidenti passati ci hanno insegnato che le cause possono essere molteplici, spaziando dalla semplice mancanza di consapevolezza o conoscenza delle proprietà dell'idrogeno, fino ai guasti delle attrezzature. Emerge quindi l'urgente necessità di formazione, manutenzione attenta e adesione a codici e regolamenti rigorosi.

È chiaro che i codici di progettazione e le norme specifiche per l'idrogeno avranno un ruolo cruciale nel proteggere tutti coloro che entrano in contatto con questo elemento, sia direttamente che indirettamente.

Passi avanti importanti includono la standardizzazione dei sistemi di rifornimento e delle connessioni dei serbatoi, lo sviluppo di rilevatori di gas idrogeno affidabili e economici e la promozione di rilevatori di incendio più sofisticati.

Idrogeno nei mezzi di trasporto

Le auto elettriche con celle a combustibile (FCEV) hanno dimostrato un grande potenziale nell'immagazzinare e convertire l'energia chimica in elettricità senza emissioni di anidride carbonica.

Per comprendere lo stato attuale dell'industria e le sfide future, lo studio analizza la tecnologia dietro le FCEV e gli approcci di stoccaggio dell'idrogeno per applicazioni a bordo, seguiti da una revisione del mercato. Si è scoperto che, per raggiungere un'autonomia a lungo raggio (oltre 500 km), le FCEV devono essere in grado di immagazzinare da 5 a 10 kg di idrogeno in recipienti compressi a 700 bar, con i recipienti di Tipo IV che rappresentano l'opzione principale attualmente in uso.

La fibra di carbonio è il componente più costoso nella fabbricazione dei recipienti, contribuendo a oltre il 50% del costo totale. Tuttavia, il costo dei sistemi di stoccaggio per FCEV è notevolmente diminuito, con stime attuali intorno a 15,7 $/kWh, e si prevede che scenderà a 8 $/kWh entro il 2030.

Nel 2021, Toyota, Hyundai, Mercedes-Benz e Honda erano tra i principali marchi automobilistici che offrivano la tecnologia FCEV a livello globale.

Ma l’idrogeno potrebbe essere una soluzione più interessante per il trasporto pesante, dove il limite del peso e della ricarica delle batterie è più sentito.

L'impiego dell'idrogeno nei camion industriali rappresenta una frontiera innovativa che potrebbe riscrivere le regole dell'efficienza energetica e della sostenibilità ambientale nel settore dei trasporti pesanti. I camion, spesso sottoposti a regimi operativi intensi, necessitano di fonti di energia che siano sia resilienti sia consistenti, qualità che l'idrogeno è particolarmente qualificato a fornire.

Una delle principali innovazioni stimolate dall'adozione dell'idrogeno nei camion industriali è lo sviluppo di celle a combustibile ad alta efficienza, progettate per sopportare le sollecitazioni di lunghi tragitti e carichi pesanti. Questo non solo migliora la longevità delle batterie ma promuove anche l'evoluzione di altri componenti vitali, potenziando l'intero ecosistema dei veicoli industriali.

In parallelo, l'espansione delle infrastrutture di rifornimento di idrogeno, stimolata dalla crescente adozione di questo combustibile nei camion industriali, potrebbe colmare le lacune esistenti nel network di distribuzione energetica. I magazzini e i centri di distribuzione, con la loro alta concentrazione di camion e carrelli elevatori, sono particolarmente idonei ad ospitare stazioni di rifornimento di idrogeno. Questi hub non solo aumenterebbero l'accessibilità all'idrogeno per il trasporto su strada ma potrebbero anche fornire insights preziosi per lo sviluppo di infrastrutture di rifornimento su scala più ampia.

Quest'innovazione collaborativa e intersettoriale, con l'idrogeno al centro, non solo potenzia il rendimento e la sostenibilità dei camion industriali ma apre anche la via a nuove possibilità per una vasta gamma di applicazioni nel campo dei trasporti, dimostrando il potenziale dell'idrogeno come pilastro della rivoluzione energetica verde nel settore dei trasporti pesanti.

Conclusioni

Queste riflessioni evidenziano quanto sia cruciale un approccio olistico e ben informato nell'integrazione dell'idrogeno come risorsa energetica futura.

E soprattutto la ricerca.

Ricerca che deve riguardare la produzione green, il trasporto efficace e sicuro, lo stoccaggio negli impianti e il microstoccaggio nei mezzi, i dispositivi di sicurezza, i criteri e le procedure di intervento in caso di incidente ….

E non solo ricerca, ma anche un impegno da parte dei privati, fondamentale per esempio nello sviluppo dell’uso dell’ idrogeno nei trasporti pesanti

Ecco perchè questa sfida richiede un giusta combinazione di strategie e investimenti, che riguarda sia il pubblico che i privati, perchè se pensiamo che l'idrogeno detenga il potenziale per diventare un elemento fondamentale nella nostra transizione verso un futuro energetico più verde e sostenibile, occorre sostenerne fino in fondo il passaggio da promessa e realtà.

Fonti:

•  "The hope and hype of hydrogen" di David Gelles, The New York Times.
• “HYDROGEN – AN OVERVIEW OF THE ISSUES ASSOCIATED WITH ITS PRODUCTION, STORAGE AND TRANSPORTATION”,di Rupert Wickens
• The Status of On-Board Hydrogen Storage in Fuel Cell Electric Vehicles, di by Julián A. Gómez and Diogo M. F. Santos, MDPI
• Safety Issues with Hydrogen as a Vehicle Fuel, di L. C. Cadwallader J. S. Herring
• SAFETY OF HYDROGEN POWERED INDUSTRIAL TRUCKS, LESSONS LEARNED AND EXISTING CODES AND STANDARDS GAPS,di Harris and Rao