L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo. Si presenta, allo stato libero, a pressione atmosferica e temperatura ambiente, sotto forma di un gas biatomico avente formula H2. Sulla Terra tuttavia, è scarsamente presente allo stato libero e molecolare e deve quindi essere prodotto. Vi sono numerosi usi consolidati a livello industriale nell’industria chimica e petrolchimica (raffinazione dei combustibili fossili e nella sintesi dell’ammoniaca). Più recentemente l’attenzione verso questo gas è stata rivolta all’utilizzo come combustibile pulito per autotrazione e per produrre elettricità riducendo le emissioni di CO2.
La maggior parte dell’idrogeno attualmente prodotto (circa il 96%) utilizza il processo di steam-reforming a partire dal gas metano (oppure da etanolo o da propano) con una reazione ad alta temperatura; alla fine del processo si ottiene tuttavia anche CO2. In alternativa è possibile produrre idrogeno a partire dalla molecola di acqua (H2O) sfruttando l’elettricità tramite un elettrolizzatore. Questo processo è intrinsecamente pulito in quanto come prodotto di scarto si ottiene soltanto ossigeno. Naturalmente va tenuto in considerazione il modo in cui l’elettricità viene prodotta: se si utilizzano i combustibili fossili la generazione di CO2 è causata indirettamente (l’idrogeno così ottenuto è detto gray); per questo motivo sarebbe da preferire l’uso di fonti rinnovabili (ottenendo idrogeno green).
Una volta prodotto, l’idrogeno può essere conservato e riutilizzato quando necessario. In questo modo si propone come alternativa alle tradizionali batterie; nelle celle a combustibile (Fuel Cell) infatti si produce elettricità convertendo l’idrogeno con un procedimento inverso a quello di elettrolisi.
In apparenza può sembrare poco sensato produrre idrogeno con l’elettricità e poi riutilizzarlo per produrre nuovamente elettricità. In realtà ciò avviene tramite le batterie già a partire da oggetti di uso quotidiano come nei telefoni sino ai veicoli elettrici. Ha senso quindi considerare un vettore energetico alternativo che non implica emissione di CO2 .
L’utilizzo delle fonti rinnovabili ha posto nuove sfide in termini di ricerca per rendere sempre più efficiente la conversione dell’elettricità in idrogeno. I problemi da risolvere sono legati ai circuiti elettronici di conversione ed alla variabilità delle condizioni climatiche. I primi sono necessari perché la tensione prodotta da una fonte rinnovabile sia continua (impianto fotovoltaico) oppure alternata (impianto eolico) deve essere adattata ad un valore opportuno per alimentare l’elettrolizzatore. La variabilità della sorgente inoltre richiede opportuni modelli degli elettrolizzatori in grado di riprodurne la dinamica.
Presso l’ICAR in collaborazione con il laboratorio “GREEN” di Nancy che fa capo All’ Université de Lorraine, (FR) e l’University of Technology North Bangkok (KMUTNB), si studiano sia i convertitori di potenza per alimentare gli elettrolizzatori sia i modelli dinamici di elettrolizzatori per riprodurre le loro funzioni in laboratorio. Recentemente sono state proposte nuove topologie circuitali per applicazioni ad elettrolizzatori tipo PEM (proton exchange membrane) che sono disponibili sul mercato con potenze a partire dal centinaio di Watt quindi si presterebbero anche ad un uso domestico, e modelli dinamici degli stessi.
Sitography to learn more
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https://www.cleantech.com/the-role-of-green-hydrogen-in-global-decarbonization/
https://www.hydrogen.energy.gov/annual_review19_report.html
https://www.frontier-economics.com/media/3120/value-of-gas-infrastructure-report.pdf
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Last published papers
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