Ugo Bardi – Maggio 2004
Dipartimento di Chimica
Università di Firenze
bardi@unifi.it
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Se nel
2002-2003 l’idea dell “economia basata sull’idrogeno”
sembrava il toccasana per tutti i problemi, il confronto con la realtà delle
cose ha prodotto un considerevole ridimensionamento delle aspettative. Dopo questo periodo di entusiasmo, tuttavia, è sopravvenuta una
riflessione più accurata e approfondita. Oggi, siamo alla ricerca di un assestamento critico e
realistico che tenga conto delle oggettive difficoltà tecniche di realizzare
sistemi energetici basati sull’idrogeno che siano efficienti e
competitivi con alternative piu’ semplici basate, per esempio, su
batterie. Questo documento riassume in breve i termini della questione (ultima revisione: Dicembre 2005).
I commenti dei
lettori sono sempre apprezzati bardi@unifi.it
Un po’ di storia. L’idea dell’economia
basata sull’idrogeno è figlia della tecnologia nucleare degli anni 1950.
A quel tempo, la costruzione di reattori nucleari era in grande espansione e il
momento di entusiasmo aveva spinto alcuni alla previsione un po’
avventata di “energia elettrica così a buon mercato che non sarebbe valso
neanche la pena di farla pagare agli utenti” (in inglese “power too
cheap to meter”). A quel tempo, si vedeva come problema principale del
nucleare quello di non essere in grado di fornire carburanti liquidi per i
veicoli. Di conseguenza, si pensò di usare l’energia prodotta delle
centrali per produrre idrogeno che, a sua volta, poteva essere trasportato a
bordo dei veicoli e usato come combustibile. L’idrogeno doveva anche
servire come “buffer” per immagazzinare l’energia elettrica
prodotta dalle centrali nucleari nelle ore notturne, quando la domanda era
bassa. Si parlava anche della possibilità di ottenere idrogeno anche come sottoprodotto del calore residuo dei reattori
nucleari attraverso dei cicli chimici. Se questo fosse stato possibile, l'idrogeno così ottenuto sarebbe stato gratis a tutti gli effetti.
Tuttavia, i cicli chimici si rivelarono poco pratici e lo sviluppo dell'energia nucleare si arrestò a partire dai primi anni 1980. L'idrogeno perse interesse
di conseguenza. Se ne ricomincerà a parlare solo col
giro del secolo, ma a questo punto come sistema di immagazzinamento e trasporto
dell’energia ottenuta dalle rinnovabili. Con il suo libro del 2002, "Economia all'Idrogeno"
Jeremy Rifkin aveva intuito con tempismo perfetto la preoccupazione diffusa per
l’esaurimento dei combustibili fossili e la necessità di una soluzione
sostitutiva. A partire da li’ l’idea dell’idrogeno si è
diffusa rapidamente.
“Dall’acqua
all’acqua”. L'idrogeno non è,
ovviamente, una fonte
di energia e il suo interesse deriva unicamente dalla possibilità di
utilizzarlo come un vettore energetico, ovvero per immagazzinare e trasportare
energia. Partendo da energia elettrica si può scomporre l’acqua in
idrogeno e ossigeno. Ricomponendo l’idrogeno con l’ossigeno
dell’aria si riottiene l’acqua e energia in forma di calore o
energia elettrica mediante pile a combustible. Questo ciclo viene detto
“dall’acqua all’acqua”. L’attrattiva dell’idrogeno
è la possibilità di utilizzare solo idrogeno ottenuto per scomposizione
dell’acqua usando energia elettrica da rinnovabili. In linea di
principio, questo metodo è sostenibile e ambientalmente pulito
I problemi. L’idea del ciclo “dall’acqua
all’acqua” è bella ed elegante ma, come tante cose belle ed
eleganti, sopravvive male al confronto con una realtà che può essere anche bruttina
e sgraziata. L’idea dell’idrogeno come fonte energetica nasce all’interno
di una prospettiva di abbondanza energetica che, al tempo delle centrali
nucleari, portava a trascurare i problemi di efficienza del ciclo. Ma, oggi,
non siamo più a quei tempi e non si può trascurare il fatto che il ciclo “dall’acqua
all’acqua” ha un’efficienza troppo bassa per essere pratica. Con le tecnologie attuali, pile a membrana polimerica e elettrolizzatori
alcalini, ci possiamo aspettare di perdere circa il 70% dell’energia
immagazzinata (!!) a ogni ciclo di carica e ricarica. Con le migliori tecnologie
che si possano prospettare al momento, possiamo aspettarci di perdere “solo”
il 50%. Con le rinnovabili che a tutt’oggi producono meno dell’1%
dell’energia mondiale, non ci possiamo certo permettere di buttare via
più di metà dell’energia prodotta. Inoltre,
le pile a combustibile attuali costano molto care e la loro affidabilità a lungo
termine lascia ancora a desiderare. Infine, rimane un problema insoluto il fatto che le membrane delle pile a combustibile
richiedono platino per catalizzare le reazioni di trasformazione fra idrogeno e acqua e si può calcolare che la quantità di platino esistente
sul nostro pianeta non sarebbe sufficiente per un "economia basata sull'idrogeno".
I veicoli a idrogeno:
altri problemi. Non c’è dubbio che uno degli
elementi che hanno reso attrattiva l’idea dell’idrogeno al pubblico
è stata l’idea di utilizzarlo negli autoveicoli, al posto degli attuali
combustibili. In effetti, l’idrogeno si può immagazzinare in bombole che
possono essere trasportate su veicoli stradali. Nella pratica, i problemi
incontrati si sono rivelati per ora insormontabili. Le bombole sono pesanti e
il rapporto peso/energia disponibile alla ruota di un veicolo a idrogeno/pile a
combustibile risulta poco migliore di quello di un veicolo a batteria e molto
inferiore a quello di un veicolo a motore a combustione attuale. Lo stesso vale per l'uso di idruri metallici come sistemi di immagazzinamento dell'idrogeno.
Non vanno poi
trascurati i problemi di sicurezza relativi a veicoli che immagazzinano un gas
molto infiammabile ad alta pressione. Si è tentato di risolvere il problema
utilizzando combustibili tradizionali (benzina o metanolo) trasformandoli a
bordo in idrogeno per mezzo di un reformer. A parte il fatto di non essere
sostenibile, l’idea si è rivelata irrealizzabile ed è stata abbandonata
da tutti dopo un paio d’anni di tentativi. Si parla della possibilità di
utilizzare idrogeno liquido come carburante, ma i problemi di sicurezza sono
enormi e l'inconveniente più grave è che si perde continuamente combustibile
per evaporazione. L’idea di un auto che consuma carburante anche quando sta
ferma non è, francamente, molto attraente. Può darsi che l'idrogeno liquido si
possa, o si debba, utilizzare per veicoli come gli aerei militari, ma non
sembra pratico per usi civili.
Trasportare
l’idrogeno: ulteriori problemi. Dato che l’idrogeno viene
proposto come “vettore” energetico, ci aspetteremmo che il
trasporto di idrogeno dovrebbe essere una cosa facile e pratica, ma questo non
sembra essere il caso. Al tempo delle centrali nucleari, si pensava di costruire
enormi impianti centralizzati, magari su isole remote per ragioni di sicurezza.
Si poneva il problema del trasporto dell’energia a distanze molto grandi
e, in effetti, l’unico modo concepibile era per mezzo dell’idrogeno
che sarebbe stato trasportato mediante immense navi “idrogeniere”. Anche
in questo caso, la prospettiva è radicalmente cambiata quando siamo passati
invece a pensare in termini di energia rinnovabile, ovvero su piccola scala e diffusi sul territorio. Sulle
modeste distanze implicate, il vantaggio dell’idrogeno rispetto alle
convenzionali linee elettriche non esiste più (e, ovviamente, non ha senso
parlare di idrogeniere!). L’idrogeno si può certamente trasportare su
medie distanze per mezzo di gasdotti simili a quelli attuali per il metano.
Tuttavia gli “idrogenodotti” dovrebbero usare materiali e metodi
specifici e quindi non si potrà utilizzare la rete del metano esistente, che
comunque sarebbe largamente insufficiente. I costi implicati per costruire una
rete di trasporto di idrogeno del tipo prospettato da Rifkin sono talmente alti
che non hanno senso in pratica.
Soluzioni
intermedie? Di
fronte alle difficoltà immense di realizzare un concetto bello ma impossibile
come quello chiamato “dall’acqua all’acqua” ci possiamo
domandare se non si possano trovare soluzioni intermedie che mantengano almeno
alcuni degli elementi positivi del concetto di “economa basata sull’idrogeno”.
In effetti, molto dell’interesse sul concetto deriva dai recenti sviluppi
delle pile a combustibile che sono sistemi efficienti di trasformare l’energia
chimica in energia elettrici. Il tipo più comune, detto “PEMFC”
(dall’inglese “polymer electrolyte membrane fuel cell”)
funziona a temperature di 60º - 80º C
è ha un’efficienza di circa il 40%-50%. Sistemi che lavorano ad alta
temperatura, detti SOFC (“solid oxide fuel cells”) hanno efficienze
del 60% e oltre. Queste efficienze sono migliori di quelle dei motori termici
tradizionali con l’ulteriore vantaggio che non si generano inquinanti
quali particolato o ossidi di azoto. Per questa ragione, c’è un notevole
interesse per utilizzare questi sistemi per produrre energia elettrica,
specialmente a livello di “microgenerazione diffusa” anche se, a
tutt’oggi rimangono molto costosi. Tuttavia, nei progetti attuali il
combustibile in ingresso rimane sempre lo stesso: gas naturale o altri fossili,
per cui non siamo di fronte a nessun mutamento radicale nella sostenibilità
della produzione di energia. Quindi, abbiamo qualcosa di intermedio che
potrebbe avere un valore commerciale nel futuro a medio termine, ma che non
possiamo veramente definire una “soluzione”
L’alternativa:
il mondo “tutto elettrico”. Con tutti i problemi irrisolti
dell’idrogeno, accoppiati con la bassa efficienza dei cicli di
trasformazione, com’è che l’idea rimane talmente attrattraente per
tanta gente? In generale, c'è una percezione diffusa di gravi
problemi nella disponibilità di combustibili fossili. Il fatto che l’idrogeno
venga definito come una soluzione genera un meccanismo psicologico di “ancora
di salvezza” che fa si che ci si dimentichi, o che non si considerino i
problemi che rendono l’idea irrealizzabile in pratica. Messi alle
strette, anche i più ardenti fautori dell’idrogeno ammettono che, si, ci
sono tantissimi problemi, ma qual’è l’alternativa? In effetti, se
non esistessero alternative all’idrogeno per l’immagazzinamento e
il trasporto di energia, dovremmo contentarci del meno peggio, al limite anche
a perdere il 70% dell’energia a ogni ciclo di carica/scarica. Tuttavia,
non è affatto vero che non ci sono alternative. L’alternativa è, in
effetti l”Economia basata
sull’elettricità” Con l’elettricità possiamo fare più o
meno tutto quello che si propone di fare con l’idrogeno. La nuova
generazione di batterie in corso di sviluppo (al vanadio, al sodio-zolfo, al litio,
e altre) si presenta come competitiva con l’idrogeno sia come costi che
come pesi, con efficienze molto superiori (almeno l’80% per ciclo, contro
il 30% per l’idrogeno/pila a combustibile) con in più l’enorme
vantaggio che la rete di distribuzione esiste già.
Il
“mondo elettrico” è sostenibile, sicuro, a bassi costi, e si sposa
perfettamente con le energie rinnovabili. Allora, perchè non lasciar perdere i
sogni e lavorare invece su una cosa concreta e che funziona?
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