Vettore idrogeno: energia a basso impatto ambientale
Il Dipartimento di Fisica impegnato in un settore di ricerca innovativo
di Antonio Miotello

È noto che il problema dell’inquinamento ambientale è fortemente connesso all’utilizzo di prodotti fossili (metano, derivati del petrolio) la cui combustione ha come sottoprodotti il monossido ed il biossido di carbonio (CO, CO₂) oltre ad un certo numero di gas nocivi alla salute, quali ad esempio il biossido di azoto NO₂.
L’impiego dell’idrogeno, come vettore energetico, si sta proponendo come la soluzione più promettente a questi problemi. Alcune ricerche alquanto innovative, svolte presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, hanno come oggetto la produzione, l’immagazzinamento e l’utilizzo dell’idrogeno: un contributo importante per ottenere energia “pulita”, ossia a basso impatto ambientale.
L’idrogeno in combinazione con l’ossigeno dà luogo a reazioni chimiche che portano alla produzione di energia termica (reazione di combustione diretta) oppure elettrica (reazione elettrochimica): in ognuno dei due processi i sottoprodotti della reazione sono unicamente acqua ed energia termica.
Sebbene l’idrogeno sia l’elemento chimico più abbondante sul nostro pianeta, si trova principalmente legato sotto forma di acqua H₂O o di idrocarburo (CH₄, C₆H₆ …): il principale ostacolo da superare resta quindi la sua estrazione al fine di ottenerlo sotto forma di molecola H₂.
I due metodi per la produzione di idrogeno.
L’elettrolisi dell’acqua. Si tratta di un processo elettrochimico che permette di ricavare dall’acqua idrogeno gassoso H₂. La tecnica non è inquinante, dato che l’unico prodotto di scarto del processo è l’ossigeno O₂.
Gli impianti commerciali di elettrolisi sono ottimizzati per la produzione d’idrogeno ad alta purezza e presentano impatto ambientale nullo.
Il reforming di gas naturali (metano,…). Il reformer è un dispositivo in grado di convertire tramite processi chimici concatenati idrocarburi naturali, quali ad esempio il metano, in miscele gassose ricche d’idrogeno; c’è però produzione di anidride carbonica che può, almeno in linea di principio, essere confinata. L’energia termica che stimola la reazione di reforming viene fornita principalmente dalla stessa reazione catalitica. Il reformer, essendo poi completamente indipendente, può essere accoppiato a celle a combustibile PEM (Proton Exchange Membrane).
I sistemi di reforming sono un prodotto tecnologico relativamente recente le cui prestazioni vanno ancora ottimizzate. L’uso dei reformer risulterebbe di immediata implementazione data la presenza di impianti per la distribuzione commerciale del gas metano. Resta tuttavia da risolvere in maniera efficace il problema legato alla produzione di gas ad effetto serra: va però evidenziato che, a parità di energia prodotta, il sistema di reforming del metano, accoppiato a celle a combustibile PEM, comporterebbe comunque una riduzione del 30% delle emissioni nocive rispetto all’uso tradizionale nelle centrali termoelettriche (combustione diretta).
L’immagazzinamento dell’idrogeno. 
I metodi ad oggi conosciuti per l’immagazzinamento dell’idrogeno sono essenzialmente tre.
1. Compressione del gas e contenimento in apposite bombole a temperatura ambiente e pressione compresa tra 150 atm e 200 atm (normativa ISO-9001). L’immagazzinamento dell’idrogeno in forma gassosa richiede sistemi per la compressione del gas ed il rispetto di norme di sicurezza, dato il carattere altamente esplosivo delle miscele gassose formate da aria e idrogeno. Oltre ai problemi di sicurezza, questo metodo di immagazzinamento è poco conveniente dal punto di vista dei volumi occupati.
2. Liquefazione del gas e contenimento del liquido criogenico in appositi serbatoi, in cui il liquido è mantenuto ad una temperatura di circa -253°C (20,3K). L’immagazzinamento dell’idrogeno sotto forma di liquido  richiede compressione e forte raffreddamento del gas, fino alla temperatura di -253°C. Anche questa tecnica d’immagazzinamento richiede il rispetto di severe norme di sicurezza. Ricordiamo inoltre che l’energia che si spende nel processo di compressione e liquefazione del gas è circa pari ad un quarto dell’energia che si può ricavare dalla combustione della stessa quantità d’idrogeno. Un grosso problema è legato alla necessità di mantenere il liquido costantemente alla temperatura di -253°C e questo comporta, nonostante i sistemi di isolamento termico disponibili, una continua domanda di energia da parte del sistema di refrigerazione.
3. L’assorbimento del gas in particolari leghe metalliche (idruri metallici). La tecnologia innovativa più conveniente e sicura, sperimentata anche presso il Dipartimento di Fisica di Trento, viene offerta dall’impiego dei cosiddetti idruri metallici, materiali in grado di assorbire forti quantitativi d’idrogeno. Caratteristiche principali di leghe in grado di formare idruri:
- quando il materiale è esposto ad una pressione d’idrogeno dell’ordine di 1÷10atm, il gas è assorbito spontaneamente dal materiale. Tale processo è di tipo esotermico;
- quando l’idruro viene riscaldato a temperature definite rilascia l’idrogeno assorbito e assorbe il calore fornito in un processo endotermico: il gas rilasciato è idrogeno puro. Questo facilita la gestione del sistema di immagazzinamento poiché, dati i meccanismi fisici di rilascio connessi semplicemente a fenomeni di evaporazione, non si potranno mai verificare condizioni di esplosione;
- se il sistema è integrato con una cella a combustibile, la quantità di calore necessaria, al riscaldamento dell’idruro, può essere fornita dal carico di raffreddamento della cella ed avere in questo modo un costo insignificante. Così, idruri metallici potrebbero ben integrarsi con celle PEM, che devono essere mantenute ad una temperatura di 70-80 °C.
L’utilizzo dell’idrogeno.
La cella a combustibile (tipo PEM) è un dispositivo che converte direttamente l’energia chimica dei reagenti (un combustibile, l’idrogeno H₂ ed un ossidante, l’ossigeno O₂) in energia elettrica, sotto forma di corrente continua a bassa tensione. Diversamente dalle comuni batterie, la cella a combustibile non utilizza sostanze che ne costituiscono parte integrante, ma opera finché viene rifornita di combustibile ed ossidante.
Un flusso d’aria porta l’ossigeno al catodo, mentre l’idrogeno è introdotto contemporaneamente nell’anodo. In presenza di un catalizzatore al platino, l’atomo d’idrogeno risultante dalla scissione della molecola H₂ si ionizza: il protone passa attraverso un elettrolita (PEM) raggiungendo il catodo, l’elettrone passa attraverso un circuito esterno, generando una corrente che può essere utilizzata da un carico. Al catodo, elettrone, protone e ossigeno si riuniscono per generare acqua H₂O (in forma di vapore) ed energia termica.

In basso a sinistra: Laboratorio Impianto ionico e di fisica dei nuovi materiali del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento.