I conti con l’idrogeno non tornano

Uno delle possibili riduzioni dell’effetto serra è l’uso dell’idrogeno che può rilasciare l’energia che contiene producendo acqua. Quindi una scelta  assolutamente “green” sia per le emissioni  sia per l’assenza di “residui” dopo la combustione.

Purtroppo il percorso per raggiugere il risultato è complicato perché la natura ci ha dato gratis il carbone, il petrolio, il gas naturale ma non l’idrogeno  che nella formula molecolare (H2)  utile per risolvere i nostri problemi non esiste ma è sempre combinato con ossigeno, carbonio. azoto formando molecole molto stabili e quindi con legami tra gli atomi molto forti.

Questa proprietà insieme ad altre crea difficoltà in produzione, distribuzione  e utilizzo finale sintetizzabili in:

• Oggi, per produrre idrogeno occorre una quantità di energia superiore a quella che “lui” potrà rilasciare.
• La bassa densità alla pressione atmosferica (90 grammi/ mc)  comporta una elevata compressione per avere un apporto significativo.
• l’infiammabilità  impone misure di sicurezza adeguate e forse non ancora ben definite a livello normativo.
• l’elevata penetrabilità’ dovuta alle piccole dimensioni della molecola  richiede un sistema di tenute al 100%.
• La corrosione inter cristallina dei materiali metallici crea rischi di frattura fragile.
• Il  bassissimo punto di fusione (-253 gradi) rende impossibile una gestione industriale allo stato liquido come il GPL.

Potrebbe già bastare per decidere di non proseguire ma possiamo entrare più nel merito esaminando con qualche numero i tre momenti esistenziali della nostra molecola che sono:

• La produzione.
• Il trasporto e la distribuzione.
• l’utenza.

PRODUZIONE

Attualmente esistono diversi metodi di produzione dell‘idrogeno utilizzato per applicazioni industriali (ammoniaca e fertilizzanti) dei quali vanno scartati quelli che emettono CO2 verso l’ambiente e quelli che sono   ancora in una fase assolutamente sperimentale perché’ i primi sono dannosi, gli altri molto lunghi nel tempo .Rimane quindi  l’elettrolisi che è “pulita e pronta” ma per funzionare richiede  energia elettrica.

Per 1Kg di idrogeno,che nella migliore delle ipotesi restituirà 38  kWh,  servono 58 kWh di energia elettrica che deve essere prodotta con un metodo “non emissivo” (fotovoltaico, eolico. idraulico, nucleare) lasciando però sul campo il 35% di energia “preziosa”.

Qualcuno dice di generare idrogeno con gli esuberi produttivi che si possono avere dal fotovoltaico e dall’eolico creando una riserva da usare quando serve.

Sembra strano che la rete non sia in grado di assorbirli visto che gli impianti installati e installabili sono di piccola taglia e distribuiti su tutto il territorio nazionale. Inoltre la soluzione con le batterie, provate e in continua evoluzione, permette l’accumulo e la ridistribuzione con molte meno perdite.

Altri dicono di andare in Africa dove esiste sole e terreni non agricoli in abbondanza portando investimenti e lavoro però le proprietà’ dell’idrogeno descritte sopra impongono una logistica opposta consistente nella massima vicinanza tra il punto di produzione  e quello di consumo.

Ragionando sui grandi numeri si arriva alla prima seguente conclusione.

I consumi  energetici nazionali (anno 2023) provenienti da combustibili fossili  climalteranti  sono stati di:

• 513  TWh  per il consumo di derivati del petrolio (benzina, gasolio, GPL, cherosene).
• 666 TWh per il consumo del gas naturale.

Sul totale di 1189 TWh si potrebbe ipotizzare una modesta sostituzione del 10 %  (120 TWh) con l’idrogeno per il quale servirebbero 168 TWh per alimentare il processo elettrolitico e  dovrebbero essere generati con metodi non emissivi. (meglio di tutti il nucleare perché’ assicura la continuità’ del processo)

La produzione di energia proveniente da centrali  termoelettrica nel 2023 è stata di 140 TWh  quindi se esistono siti, autorizzazioni, finanziamenti  per quantitativi anche maggiori   perché’ non usarli per sostituirle e immettere in rete energia elettrica che, come vettore, presenta molti meno problemi  e con rendimenti nell’uso molto più elevati  (fuel cell 50% vs elettrico 90%)

TRASPORTO

Dopo la produzione viene il trasporto che oggi  può avvenire attraverso:

• L’immissione nelle reti gas esistenti.
• Su strada e/o mare previa compressione in bombole o serbatoi adeguati (700 atm).

Sono state fatte prove di trasporto insieme al gas naturale per sfruttare le reti di distribuzione esistenti e sembra possibile aggiungere un 10%  a pressioni poco superiori a quella ambientale.

In queste condizioni la densità dell’idrogeno è  molto bassa e riduce la portata  energetica del  6,5%.

Se questa portata energetica va bene per l’uso allora è possibile ridurre quella del gas naturale fino ad ottenere lo stesso risultato.

Se non va bene  è necessario aumentare la pressione (ovvero distribuire più gas in peso per ogni mc trasportato)  con il rischio che non sia sostenibile dalla attuali reti.

 All’argomentazione di cui sopra occorre aggiungere che:

• L’attuale distribuzione estesa per 33.000 km  presenta perdite attraverso le normali tenute non saldate delle tubazioni che con l’idrogeno aumentano a causa della sua penetrabilità molto più elevata.
• A volte intervengono gli sfiati automatici necessari per impedire la crescita della pressione interna oltre i limiti di progetto con il conseguente rilascio nell’aria di un gas costoso e pericoloso.
• Negli acciai impiegati per la costruzione delle condotte del gas l’idrogeno può generare nel tempo  fenomeni di corrosione.

Il trasporto a elevate pressioni avviene già  e , oltre a portare via altra energia per la compressione, comporta la movimentazione di alti “tonnellaggi” derivanti dagli elevati spessori di bombole o serbatori di contenimento del gas e può avvenire con l’uso  :

• o di carburanti fossili (= camion / navi movimentati con motori diesel) che è dannoso perché’  va sommare a quanto esistente altre emissioni.
• o dello stesso idrogeno prodotto (fuel cell + motori elettrici) che  è certamente green ma va a ridurre la quantità di energia consegnata all’utenza finale.

UTENZE

E’ possibile dividere in due gruppi i grandi consumatori di prodotti a base carbonio che sono:

• Centrali termoelettriche e mezzi di movimentazione di persone e merci.
• Impianti di riscaldamento e industria.

Si può subito escludere i primo gruppo perché’ richiede una ulteriore perdita del 50 % (= rendimento medio di una moderna centrale a ciclo combinato o di una fuel cell installata su un mezzo di trasporto). Nella combinazione in serie delle perdite il nostro vettore partito con un consumo di 100 kWh ne consegnerebbe all’utenza finale circa 28 ! (-35% elettrolisi X -15% trasporto -X50% trasformazione finale) che sarebbe insostenibile economicamente e anche poco importante dal punto di vista ambientale.

Inoltre, mentre per le centrali termoelettriche la resa è limitata a pochi punti sul territorio nazionale, per la movimentazione di persone e merci occorre alimentare i 22.500 distributori necessari per garantire dovunque  il rifornimento di carburante . Per l ‘ idrogeno  oggi ne esiste uno e 35 previsti nel PNRR!

La soluzione per i riscaldamenti delle abitazioni e delle aree usate per i servizi (supermercati, centri commerciali, uffici amministrativi, scuole, ospedali  etc)  esiste già nella pompa di calore che in futuro sostituirà’ completamente le caldaie.Si tratta di un metodo provato, efficiente  e con la sua reversibilità fornisce anche il raffrescamento estivo. Consuma energia elettrica e quindi oggi  risolve il problema al 50% (metà della produzione nazionale deriva sorgenti non emissive che sono però in continua crescita) ma si può attuare domani e non nel 2050 .

Rimane l ‘ industria dove è necessario per la produzione o un consumo importante di calore o l’idrogeno stesso. In questi casi ben venga quello  “verde” ma sui numeri totali parliamo di un beneficio di poche unità percentuali  e rimane  comunque da chiarire chi paga la differenza tra  gli attuali  0,36 euro/kWh e 0,14 euro/kWh del gas naturale.

Può ‘ essere che in futuro la ricerca fornisca soluzioni migliorative però oggi il vettore idrogeno non funziona perché’ il possibile beneficio ambientale è modesto, il prezzo da pagare è elevato e la sua applicazione è  molto lontana nel tempo  quindi non compatibile con la nostra esigenza di fare in fretta e con risultati certi.