L'Idrogeno inquina più della CO2 ? uno studio di Cambridge può stravolgere l'Agenda 2030 per l'ambiente

Idrogeno al posto di gas e carbone

L'uso dell'idrogeno (H2) come fonte di energia è un elemento importante nella strategia per evitare le emissioni di combustibili fossili.

L'uso dell'idrogeno (H2) come sostituto dei combustibili fossili contenenti carbonio, come il gas naturale, eviterebbe le emissioni di anidride carbonica nell'atmosfera, con notevoli benefici per il clima. Pur essendo una tecnologia ancora in fase di ricerca e con il problema che per poter essere prodotta richiede altra energia (Le soluzioni alla crisi energetica: che possibilità ha l'Italia? L'intervista a Chicco Testa) è da molti considerata la vera soluzione per la sostituzione di carbone, petrolio e gas naturale in quanto potrebbe dare le potenze necessarie per soddisfare anche l'industria energivora.

Se l'idrogeno viene prodotto in modo pulito, offre un importante vantaggio climatico non solo per la riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2) e metano (CH4), due principali gas serra, ma anche per l'opportunità di ridurre altre emissioni comprese quelle di carbonio monossido (CO), composti organici volatili (VOC) e ossidi di azoto (NOx), che produrrebbero un ulteriore vantaggio in termini di qualità dell'aria.

 

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Idrogeno: è davvero la rivoluzione green per l'industria e la mobilità sostenibile ?

I piani energetici messi a punto a livello globale puntano su due fonti, decisamente opposte, per svoltare nella lotta al cambiamento climatico: nucleare (di quarta generazione) e idrogeno green. L'Europa (e l'Italia) puntano sulla seconda. Hanno ragione ? a che punto siamo ?

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Quello che però non è finora stato considerato, e dibattuto, in ambito internazionale è se questa soluzione porti con sè anche degli effetti indesiderati. Ci ha pensato il governo britannico, che si sta dimostrando sempre più "concreto" rispetto ad altri sul tema della lotta al cambiamento climatico, il quale ha commissionato una ricerca i cui risultati non possono essere considerati così positivi per l’idrogeno, al punto da porlo addirittura a un livello più pericoloso per l’ambiente rispetto alla CO2.

Attualmente circa il 95% dell’idrogeno viene prodotto utilizzando i combustibili fossili, e solo la parte restante è ottenuta dall’elettrolisi dell’acqua utilizzando molta energia elettrica, anch’essa in gran parte prodotta dalla combustione di combustibili fossili. Ecco perchè si pensa all'Idrogeno come una soluzione per il futuro, perchè occorre individuare soluzioni meno energivore o che utilizzino fonti rinnovabili per renderlo veramente green. Ma questo studio apre un nuovo scenario: i serbatoi per l’idrogeno sono inclini a perdere materiale e per questo motivo è necessario capire quali possano essere le conseguenze per l'ambiente.

Nello studio i ricercatori si sono concentrati sulle conseguenze della perdita di idrogeno utilizzando un modello chimico-climatico all'avanguardia, UKESM1, per calcolare i cambiamenti nella composizione atmosferica, che potrebbero seguire quella perdita nell'atmosfera. Sono stati considerati una serie di casi di aumento dell'abbondanza di idrogeno atmosferico, nonché casi in cui le emissioni di altri gas sono ridotte. È stato anche considerato l'impatto di questi cambiamenti sulla forzatura radiativa.

L'Idrogeno è un gas serra ?

L'idrogeno non è un gas serra, ma i cambiamenti nella sua abbondanza atmosferica modificheranno le concentrazioni degli importanti gas serra metano, vapore acqueo e ozono, sia nella troposfera che nella stratosfera. 

Lo studio infatti evidenzia come qualsiasi fuoriuscita di idrogeno influenzerà la composizione atmosferica (con implicazioni per la qualità dell'aria) e avrà un effetto di riscaldamento indiretto sul clima, compensando parzialmente alcuni dei benefici climatici della riduzione dell'anidride carbonica.

I ricercatori Nicola Warwick, Paul Griffiths, James Keeble, Alexander Archibald, John Pyle, University of Cambridge e NCAS e Keith Shine, University of Reading hanno esplorato il possibile impatto della perdita di idrogeno utilizzando un modello chimico/climatico dell'atmosfera.

Le incertezze sui tassi di perdita di idrogeno, sulla misura in cui l'idrogeno potrebbe sostituire i combustibili fossili in futuro e sui futuri tassi di assorbimento dell'idrogeno da parte del suolo, rendono difficile prevedere con precisione i cambiamenti nei rapporti di miscelazione dell'idrogeno atmosferico in un'economia dell'idrogeno.

Sono stati considerati quindi una gamma di possibili scenari globali futuri dell'idrogeno, con aumenti del rapporto di miscelazione superficiale che vanno da 0,25 parti per milione (aumento del 50%) in volume (ppm o millimoli/mole) a 1,5 ppm (aumento del 300%) al di sopra dell'attuale miscelazione di fondo rapporto di circa 0,5 ppm ritenendo che questi scenari possano coprire gran parte dell'incertezza nei potenziali cambiamenti nei rapporti di miscelazione atmosferica dell'idrogeno associati alle dimensioni finali dell'economia dell'idrogeno, allo stoccaggio di idrogeno nel suolo e ai tassi di perdita di idrogeno (i serbatoi per l’idrogeno sarebbero inclini a perdere materiale (nonostante le misure di sicurezza), e per questo motivo – lungo un periodo di un secolo – una tonnellata perduta di questo materiale riscalderebbe l’atmosfera undici volte di più rispetto alla CO2.)

Ed un aumento di 1,5 ppm del rapporto di miscelazione dell'idrogeno superficiale sarebbe coerente con un tasso di perdita elevato del 20% in un'economia globale dell'idrogeno che fornisce il 23% dell'attuale consumo globale di energia, dove l'entità dello stoccaggio di idrogeno nel suolo aumenta linearmente con rapporti di miscelazione dell'idrogeno; sarebbe anche coerente, a parità di consumo energetico, con una magnitudine costante, uno stoccaggio del suolo fisso e un tasso di perdita di idrogeno di circa il 4%.

L'uso di questa gamma di scenari globali fornisce un chiaro segnale nella risposta atmosferica all'aumento dei rapporti di miscelazione dell'idrogeno rispetto alla variabilità interannuale e ha consentito anche di esplorare la linearità della risposta atmosferica all'aumento dell'idrogeno.

E' stato anche considerato l'impatto dei cambiamenti nelle emissioni di gas diversi dall'anidride carbonica (CO2) che potrebbero seguire una maggiore adozione dell'idrogeno come fonte di energia; questi gas, emessi insieme all'anidride carbonica e chiamati di seguito "specie co-emesse", comprendono il monossido di carbonio (CO), il metano (CH4), i composti organici volatili (VOC) e gli ossidi di azoto (NOx). Questo perché l’idrogeno interagisce con altri gas e vapori nell’aria, producendo così potenti effetti di riscaldamento.

Le conclusioni dello studio: l'Idrogeno è o non è la soluzione per l'ambiente ?

Composizione atmosferica

Come detto, sono stati sviluppati una serie di scenari per esplorare la risposta atmosferica ai cambiamenti nelle emissioni di idrogeno e di altre specie associate al passaggio a un'economia dell'idrogeno. L'entità di qualsiasi cambiamento dipende dall'assorbimento dell'idrogeno e dalle tecnologie dei combustibili fossili sostituite. Dipende anche dalla perdita di idrogeno nella catena di approvvigionamento. Queste cose sono incerte e quindi è stato esplorata una serie di potenziali cambiamenti nel carico di idrogeno atmosferico. E' stato cercato di modellare l'impatto di cambiamenti grandi ma plausibili, consentendo sia di rilevare un segnale di cambiamento che di esplorare la linearità di questi cambiamenti su una gamma di rapporti di miscelazione dell'idrogeno atmosferico. A tal fine, è stato modellato l'impatto degli aumenti dell'idrogeno dalla sua attuale concentrazione di fondo di circa 0,5 ppm a valori fino a 2 ppm; valori che riteniamo coprano gran parte dell'intervallo di incertezza di qualsiasi futura economia dell'idrogeno, nonché precedenti stime della letteratura (ad es. Tromp et al., 2003; Warwick et al. 2004; Schultz et al. 2003).

Le perdite di idrogeno influenzeranno la concentrazione di metano, ozono e vapore acqueo nell'atmosfera. I cambiamenti nel metano e nell'ozono sono guidati dai cambiamenti nel radicale idrossile, OH, che è il principale ossidante atmosferico e un attore chiave nella chimica dell'atmosfera. l'idrogeno agisce come un pozzo chimico per l'OH, quindi l'aumento delle concentrazioni di idrogeno porta a una riduzione dell'OH troposferico, che a sua volta si traduce in un aumento della vita del metano.

Sulla base degli esperimenti, i ricercatori concludono che se le emissioni di metano rimangono costanti, un aumento delle emissioni di idrogeno comporterebbe una vita del metano più lunga e una maggiore abbondanza di metano.

Nei calcoli guidati solo da una variazione dell'idrogeno, la durata del metano aumenta linearmente con l'aumento dell'idrogeno.

Quando si include il feedback del radicale idrossile sull'abbondanza di metano, per ogni aumento di 1 ppm di idrogeno, la durata del metano aumenta di circa un anno e il metano aumenta di circa il 12% (da 1835 ppb in TS2014_BASE a 2058 ppb in TS_2014_1500H2_2058CH4), se metano le emissioni restano costanti.

Quando si considerano anche le riduzioni delle emissioni di monossido di carbonio, ossidi di azoto e composti organici volatili insieme all'aumento dell'idrogeno atmosferico, la diminuzione del radicale idrossile, e quindi l'aumento del metano, è minore. La risposta del metano al passaggio a un'economia dell'idrogeno è complessa e fortemente dipendente dallo scenario. La gamma di scenari considerati copre sia i possibili aumenti che le diminuzioni del metano. Sotto l'aumento massimo di 1,5 ppm di idrogeno considerato dalla ricerca, per compensare il potenziale aumento di metano sarebbero necessarie ulteriori diminuzioni non solo delle emissioni di metano, ma anche delle specie co-emesse di monossido di carbonio, ossidi di azoto e composti organici volatili.

La risposta dell'ozono troposferico è altrettanto complessa e dipende non semplicemente dai cambiamenti nell'abbondanza di idrogeno ma anche dai cambiamenti nelle emissioni di altre specie poiché l'abbondanza di ozono è controllata da una serie di complessi cicli di produzione e perdita in cui radicali idrossilici, metano, altri composti organici volatili e ossidi di azoto svolgono tutti un ruolo. Per gli scenari considerati dalla ricerca, un aumento dell'idrogeno atmosferico si traduce solo in un piccolo aumento dell'ozono troposferico (~1,3% per ppm di idrogeno). Ma se si considerano anche gli aumenti di metano che risulteranno dall'aumento dell'idrogeno atmosferico, vengono modellati aumenti maggiori dell'ozono.

Solo gli scenari che modellano le riduzioni delle emissioni di monossido di carbonio, ossidi di azoto e composti organici volatili producono riduzioni dell'ozono troposferico. È stata identificata una relazione lineare tra la variazione dell'idrogeno atmosferico e l'ozono troposferico, consentendo una stima della risposta dell'ozono a una data variazione dell'idrogeno atmosferico anche se quello scenario specifico non è stato considerato in questo studio. Tuttavia, il gradiente di questa relazione è fortemente dipendente dalle emissioni di monossido di carbonio, ossidi di azoto, composti organici volatili e metano associati al passaggio a un'economia dell'idrogeno. In scenari che presuppongono riduzioni delle emissioni di monossido di carbonio, ossidi di azoto e composti organici volatili, l'ozono troposferico può diminuire nonostante l'aumento dell'idrogeno atmosferico e del metano, il che è positivo per gli sforzi di mitigazione della qualità dell'aria. Tuttavia, in questi scenari il cambiamento dell'ozono è spazialmente eterogeneo.

L'ozono stratosferico è controllato da processi chimici diversi da quelli della troposfera. L'aumento del flusso di idrogeno nella stratosfera porta ad un aumento del vapore acqueo. (Si noti che non abbiamo considerato la produzione diretta di vapore acqueo nella stratosfera da una possibile futura aviazione alimentata a idrogeno.) Anche il metano aumenta in alcune parti della stratosfera e insieme questi cambiamenti portano a una maggiore produzione di radicali idrossilici lì e, attraverso gran parte del la stratosfera, l'ozono diminuisce. Questi cambiamenti sono piccoli nella stratosfera medio-bassa, dove si trova la maggior parte dell'ozono stratosferico, con diminuzioni maggiori nella stratosfera superiore, guidate dall'aumento dei radicali idrossilici e, in una certa misura, alle latitudini polari, dove l'aumento del vapore acqueo gioca un ruolo. Per la gamma di calcoli eseguiti, non si trovano impatti negativi distinguibili sul recupero globale dell'ozono stratosferico dall'adozione di un'economia globale dell'idrogeno.

Forzatura radiativa

Gli eventuali aumenti di ozono troposferico, vapore acqueo e metano, conseguenti all'aumento dell'idrogeno atmosferico tenderebbero tutti ad aumentare il forzante radiativo, compensando parzialmente per il clima i vantaggi del passaggio all'idrogeno. E' stato valutato, in primo luogo, considerando la variazione del forzante radiativo calcolato nei vari scenari che sono stati considerati.

In secondo luogo, è stata effettuata una nuova determinazione del GWP (Global Warming Potential) dell'idrogeno.

La variazione netta della forzante radiativa nella parte superiore dell'atmosfera dipende fortemente dal tasso di perdita di idrogeno, da qualsiasi riduzione associata delle emissioni di metano e dall'entità dei benefici delle co-emissioni. Nei calcoli in cui si assume la perdita di idrogeno nell'atmosfera, i calcoli indicano un aumento della forzante radiativa (cioè una tendenza al riscaldamento).

Quando solo l'idrogeno aumenta negli esperimenti fatti con i modelli adottati, è stata calcolata una forzatura radiativa effettiva di 0,148 W m-2 per un aumento di idrogeno di 1,5 ppm; quando il limite inferiore del metano viene aumentato di 340 ppb, coerentemente con la diminuzione dei radicali idrossilici indotta dall'idrogeno, la forzatura radiativa si avvicina a 0,5 W m-2.

Al contrario, se non vi è alcuna perdita di idrogeno nell'atmosfera e il metano e altre coemissioni sono ridotte, il forzante radiativo è -0,29 W m-2 (una tendenza al raffreddamento). Supponendo una sensibilità climatica di 0,86 K W-1 m2, questo livello di forzante radiativo, se sostenuto, porterebbe a variazioni di temperatura media globale di equilibrio di 0,12 ̊C, 0,43 ̊C e -0,26 ̊C senza tenere conto delle emissioni ridotte di anidride carbonica che ne risulterebbero.

La forzatura radiativa netta della parte superiore dell'atmosfera varia fortemente a livello regionale. Dipende in modo complesso dai cambiamenti nella composizione della fase gassosa, dal successivo impatto sulla produzione di aerosol e sulle interazioni tra nuvole e aerosol. Sarebbero necessari ulteriori studi per esplorare gli impatti regionali in modo più dettagliato.

I cambiamenti nel forzante radiativo, come i cambiamenti nella composizione atmosferica, indicano che, per massimizzare il clima e la qualità dell'aria, il passaggio a un'economia basata sull'idrogeno debba basarsi su una riduzione radicale sia delle perdite di idrogeno che delle emissioni accessorie, ad esempio , CO, NOx e VOC.

Potenziale di riscaldamento globale

I Global Warming Potential fino ad oggi sono stati calcolati per gas  a vita breve (ad es. NOx dell'aviazione) le cui emissioni determinano forzanti radiativi indiretti. Ma le metodologie utilizzate fino ad oggi non sono  appropriate per i gas con vita intermedia e più lunga come l'idrogeno, con una vita di diversi anni.

Il tema di ricercatori ha sviluppato un approccio modificato che considera la durata del gas pulsato (H2) oltre alla durata dei gas radiativamente attivi che causano la forzatura indiretta (ozono, metano e vapore acqueo), consentendo di valutare il GWP dell'idrogeno.

Sebbene i cambiamenti indotti dall'idrogeno nel metano e nell'ozono nella troposfera siano stati considerati in precedenza, sono stati anche considerati, per la prima volta, i cambiamenti precedentemente ignorati nel vapore acqueo stratosferico e nell'ozono stratosferico nei nostri calcoli del GWP dell'idrogeno.

Si stima che il GWP(100) dell'idrogeno sia 11 ± 5; un valore maggiore del 100% rispetto ai calcoli pubblicati in precedenza. Circa un terzo di questo deriva dai cambiamenti nel vapore acqueo stratosferico che seguono da un aumento dell'idrogeno atmosferico.

La maggior parte dell'incertezza nel GWP deriva dall'incertezza riguardo al bilancio naturale dell'idrogeno atmosferico, dove l'entità del pozzo di assorbimento del suolo per l'idrogeno è il fattore più incerto. È necessario un lavoro futuro per risolvere queste incertezze atmosferiche.

Sebbene il modello utilizzato per questo studio includa uno schema chimico completo, sia per l'idrogeno che per il metano sono state impiegate concentrazioni di superficie limite inferiori specificate. I futuri calcoli del modello dovrebbero integrare il nostro lavoro con esperimenti transitori che utilizzano condizioni al contorno di flusso.

Quindi ? lo studio non ci da delle conclusioni, ci indica una via

La lettura di questo studio - molto complesso, anche per un ingegnere chimico che fa da troppi anni l'editore - ci evidenzia soprattutto una cosa: non esiste una sola soluzione al problema del riscaldamento globale. Intelligentemente i ricercatori valutano gli effetti di una perdita - realmente possibile - di idrogeno nell'atmosfera. E al di là del fatto che questo idrogeno sia stato prodotto con sistemi più o meno green evidenziano come i suoi effetti sulla qualità dell'aria e sul clima dipendano in modo sensibile dalla presenza di altri gas all'interno dell'atmosfera.

Per esempio il metano. Qualcuno forse ricorderà il mio articolo "Cop26: i leader concordano un piano per riduzione emissioni metano del 30%, senza la Cina" pubblicato il 2 novembre 2021 quando i leader mondiali hanno concordato un accordo per ridurre le emissioni del metano, secondo gas serra più inquinante del pianeta e in cui si affermava che è responsabile di un terzo dell'attuale riscaldamento causato dalle attività umane: se pienamente attuato, l'impegno potrebbe limitare il riscaldamento globale di circa 0,2°C entro il 2050.

Secondo lo studio richiamato in questo articolo di oggi emerge come la riduzione delle emissioni del metano siano ancora più importanti di quello che si pensasse qualche mese fa. Ma nel mio editoriale di allora evidenziavo un pericolo che alla luce di quanto detto oggi appare ancora più grave:

"Pensiamo all’Unione Europea, come raggiungeremo questo risultato ?

Aumentando la quota di vegetali OMG che producono meno CH4 nel loro ciclo di vita ? ci impegneremo finalmente per una battaglia, con misurazione dei risultati, dello spreco alimentare ? tasseremo gli obesi ? utilizzeremo come proposto da qualcuno degli additivi nei mangimi per le mucche per ridurre la loro produzione di gas durante la digestione ? 

E’ questa ora la battaglia più difficile, trasformare un impegno in un piano, superando anche alcune fake news o finti presupposti ambientalisti (come quello degli OMG), altrimenti ha ragione Greta, è tutto Bla Bla."

Per risolvere il problema del cambiamento climatico non possiamo pensare che esistano scorciatoie, che ci siano soluzioni magiche che ci permettano, senza sacrifici, di affrontare il problema del futuro della nostra esistenza sul pianeta.

L'IDROGENO NON INQUINA PIU' DELLA CO2: SIAMO NOI A INQUINARE

L'idrogeno potrà essere una soluzione solo se produrremo anche meno metano. Produrremo meno metano solo se cambieremo le nostre abitudini alimentari e la nostra agricoltura e la nostra zootecnia. Questi cambiamenti richiederanno l'adozione di tecnologie nuove come gli OMG.

Al tempo stesso, per consentire all'industria di avere l'energia che serve per produrre dovremo abituarci a utilizzare meno energia per noi: quindi case più efficienti ma anche temperature più naturali, meno ascensori e più scale, meno metaverso (che consuma una marea di energia) e uso dello smartphone e più vita sociale reale, meno abiti e camicie superstirate e più maglie sgualcite e superutilizzate, più libri e meno streaming (altra fonte di consume energetico poco considerata), ... e dovremmo forse cominciare a pensare che prima di cambiare una poltrona o un tappeto in casa nostra sarebbe il caso di mettere un sistema di riciclo d'acqua per evitare che con il nostro sciacquone buttiamo via 10/15 litri di acqua potabile dopo ogni legittima pipì.

Come dice il mio amico Marco Mari la migliore energia sostenibile è quella che non consumiamo.

Andrea Dari

Editore Ingenio

PS. Spesso una fonte energetica è oggi più conveniente solo perchè non consideriamo i debiti che stiamo facendo sul futuro per produrla. Se imparassimo a considerare meglio questi aspetti forse chiederemmo meno sconti sulla benzina. Il nostro amorevole sguardo sui nosti figli è più vero se impariamo a lasciargli meno debiti.

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