Idrogeno, il vettore energetico verde del futuro? Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. L’idrogeno potrebbe essere il carburante del futuro, ma come possiamo produrlo in modo sostenibile? Ce lo spiega Karin Willquist.

L’idrogeno è stato chiamato il “vettore energetico del futuro” – perché può venire ossidato in una cella a combustibile per produrre elettricità, per esempio per alimentare le automobili, senza rilasciare anidride carbonica (CO₂) e può venire prodotto in località remote prive di un’infrastruttura elettrica. Diversamente dalle risorse disponibili come gas naturale e benzina, l’idrogeno deve essere prodotto, rendendolo un vettore di energia e non un combustibile.

Un sistema energetico nel quale si impiega l’idrogeno per distribuire l’energia – un’economia all’idrogeno – venne proposto da John Bockris nel 1970; nel 1977 venne stipulato un accordo internazionale per l’applicazione dell’idrogeno, con l’obiettivo di lavorare al raggiungimento di tale obiettivo^w1.

L’idrogeno viene utilizzato principalmente come reagente chimico, piuttosto che come vettore di energia, ma non c’è dubbio che abbia il potenziale per trasformare i nostri sistemi di trasporto ed energetici. Comunque, rilasciare il suo potenziale non è facile. Molti carburanti attualmente in uso sono liquidi, solidi o gassosi, con un’elevata resa di energia per volume (densità di energia). L’idrogeno, al contrario, ha una bassa densità di energia: a parità di pressione, bruciare un litro di idrogeno produce un terzo del’energia che si ottiene bruciando un litro di metano. Questo pone problemi di immagazzinamento, distribuzione e utilizzo che vengono attualmente affrontati dagli scienziati (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Una sfida più fondamentale, comunque, è quella di produrre l’idrogeno in modo sostenibile. Su questo mi concentrerò in questo articolo.

Metodi di produzione dell’idrogeno

L’idrogeno è un elemento abbondante sulla superficie terrestre, normalmente legato al carbonio nel carboidrati (nelle piante), o all’ossigeno nell’acqua (H₂O). L’idrogeno gassoso (H₂), al contrario, esiste solo in piccole quantità sulla Terra. Una delle sfide per la produzione sostenibile di idrogeno è la rottura dei legami che H₂ forma con carbonio e ossigeno.

Attualmente H₂ viene prodotto soprattutto da combustibili fossili (ad esempio il gas naturale), per mezzo della reazione di sintesi con vapore: scaldando i combustibili ad alta temperatura con acqua^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Questo metodo, comunque, si basa su combustibili fossili e rilascia CO₂, provocando gli stessi problemi di emissioni della combustione dei carburanti fossili. La reazione di sintesi con vapore è sostenibile solo se vengono utilizzati idrocarburi rinnovabili, come il biogas, poiché la CO₂ rilasciata è stata prima assorbita nella produzione degli idrocarburi.

H₂ può venire prodotta anche per elettrolisi^w2, nel qual caso si usa l’elettricità par spezzare H₂O in H₂ e ossigeno:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Questo metodo può essere sostenibile se l’elettricità proviene da fonti rinnovabili come vento, onde o energia solare. Perciò H₂ può venire usato per accumulare energia in giornate ventose, quando le pale eoliche producono più elettricità di quella che può essere consumata.

È interessante il fatto che la scissione di H₂O vvenga spontaneamente negli oceani, ad opera di alghe microscopiche e cianobatteri che usano l’energia solare per spezzare l’acqua in un processo chiamato biofotolisi (Equazione 3). Comunque, il tasso di produzione di H₂ è estremamente lento.

Sono stati fatti dei tentativi per aumentare il tasso di produzione in condizioni controllate, utilizzando microorganismi modificati, ma il processo è ancora troppo lento e costoso per rappresentare una fonte realistica di H₂ nell’immediato futuro (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Infine, il bioidrogeno può venire prodotto da coltivazioni e scarti industriali, forestali e agricoli utilizzando i batteri. Come facciamo anche noi esseri umani, questi batteri ossidano il materiale vegetale come fonte di energia ma, diversamente da noi, vivono in ambienti anerobici (privi di ossigeno). Nella respirazione aerobica noi utilizziamo O₂ per ossidare gli zuccheri, ad esempio

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

Al contrario, per ossidare quanto più possibile il substrato, e quindi ottimizzare il loro guadagno energetico, questi batteri anerobici riducono ad H₂ i protoni rilasciati durante l’ossidazione del substrato (Equazione 6, più sotto).

Animaletti caldi

Durante il mio Dottorato di Ricerca ho studiato la capacità di produrre idrogeno di uno di questi batteri, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Figura 1), che vive in sorgenti termali: ambienti anerobici a 70 °C, con bassi livelli di carboidrati disponibili. Questo batterio è particolarmente interessante, perché è due volte più efficiente di molti batteri impiegati nella produzione di H₂.

Diversamente da noi umani, C. saccharolyticus ottiene energia da un ampio spettro di molecole strutturali vegetali: non solo glucosio, ma anche, ad esempio, xylosio (Willquist et al., 2010).

Ciò permette al batterio di produrre H₂ da rifiuti come quelli prodotti durante la lavorazione di patate, zucchero e carote, come anche da scarti industriali della produzione di pasta di legno e carta, o rifiuti agricoli come la paglia.

Si tratta di un inizio promettente, ma anche C. saccharolyticus rilascia solo il 33% dell’H₂ che potenzialmente potrebbe essere rilasciato dal substrato. L’Equazione 5 mostra la possibile ossidazione completa del glucosio, che rilascia 12H₂ per molecola di glucosio. L’Equazione 6 mostra la fermentazione buia eseguita da C. saccharolyticus, che rilascia solo 4H₂ (33%) per molecola di glucosio. Il resto dell’energia viene rilasciato come acetato (CH₃COOH).

Conversione completa del glucosio ad H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Fermentazione buia: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

Per rilasciare il resto di H₂ dall’acetato c’è bisogno di energia esterna. In alternativa, dall’acetato si può ottenere metano (CH₄), che attraverso la sintesi con vapore può rilasciare H₂ (Equazioni 1 e 2). Fortunatamente, ci sono tre metodi interessanti per ottenere questa reazione (Figura 2).

1. Utilizzare la luce solare per convertire l’acetato ad H₂ per mezzo di batteri fotofermentatori (Equazione 7)^w3. Comunque, come la produzione algale di H_2, questo processo è attualmente troppo lento e costoso per diventare commercialmente economico nel prossimo futuro (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Utilizzare l’elettricità per accelerare la reazione da acetato a H2 in un una cella a combustibile microbica contenente un miscuglio di specie batteriche (Equazione 7)^w4. Questa è un’idea elegante, ma la sua applicazione è attualmente limitata dai bassi tassi di produzione (Hallenbeck & Gush, 2009). (Per imparare come fabbricare la vostra cella a combustibile microbica, vedete Madden, 2010.)
    
3. Utilizzanre batteri produttori di metano (Archaea) per digerire l’acetato, ottenendo metano (Equazione 8). La combinazione di fermentazione buia (Equazione 6) e produzione di metano è nota come processo a itano (idrogeno + metano) e può convertire approssimativamente il 90% del substrato originale in H₂ e metano.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   Il metano può poi venire sottoposto a sintesi con vapore rilasciando H₂.

Per dare un’idea del processo a itano, considerate che se i componenti di una famiglia di quattro persone mangiano ciascuno 10 kg di patate al mese, i loro rifiuti potrebbero alimentare lo 0.5% della loro richiesta energetica domestica mensile (3500 kWh), nel caso in cui l’H₂ prodotto venga utilizzato direttamente (per evitare perdite energetiche) e che la casa venisse attrezzata con una cella a combustibile per produrre energia e calore^w5. Ulteriore idrogeno potrebbe ovviamente venire prodotto da altri rifiuti – lo 0.5% proviene semplicemente dalle patate.

Questa è una stima grossolana del potenziale del processo a itano, basato su a) il 30% dell’energia viene perduto nella produzione di H₂ e CH₄ (itano) e b) il 30% serve per la sintesi con vapore da CH₄ ad H₂. Il passo (b) della sintesi con vapore viene impiegato nella produzione di idrogeno dal gas naturale ed è una tecnica commerciale ben sviluppata. La produzione dell’itano (a), comunque, non è ancora così efficiente, sebbene siano in corso ricerche per raggiungere il 70% di efficienza (come nell’esempio) e quindi rendere la produzione di bioidrogeno competitiva rispetto alla sintesi con vapore a partire da combustibili fossili per produrre idrogeno.

Sebbene di recente ci siano stati alcuni progressi^w6 (vedi riquadro), è ancora troppo presto per fornire una stima del tempo richiesto perché la produzione sostenibile di H₂ possa giocare un ruolo significativo nel nostro bilancio energetico. Comunque, come disse il poeta Mark Strand, “Il futuro inizia sempre adesso”.

Ricerca sulla produzione e immagazzinamento dell’idrogeno

Immagazzinare l’idrogeno in sicurezza è una delle principali sfide tecnologiche per adottare l’idrogeno come vettore energetico. L’Istituto Laue-Langevin (ILL)^w7 si è oramai saldamente distinto per la sua ricerca di punta nell’economia dell’idrogeno, utilizzando la diffrazione di neutroni per seguire le reazioni di idrogenazione e deidrogenazione in materiali potenzialmente impiegabili per l’immagazzinamento dell’idrogeno. Per saperne di più, visitate il sito web dell’ILL^w7.

I potenti fasci di raggi X dello European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w8 hanno recentemente verificato i complessi meccanismi con cui l’idrogeno viene prodotto da parte di enzimi chiamati idrogenasi. Molti di questi enzimi lavorano in condizioni anerobiche e sono, di fatto, inibiti dalla presenza di ossigeno. Gli idrogenasi che rimangono attivi in condizioni aerobiche, perciò, sono di grande interesse per tecnologie come le celle enzimatiche a combustibile e la produzione di idrogeno alimentata dalla luce. Un gruppo di scienziati tedeschi ha risolto di recente la struttura cristallina di uno di questi enzimi s (Fritsch et al., 2011) – forse un passo verso l’economia a idrogeno?

Sia ILL che ESRF sono membri di EIROforum^w9, l’editore di Science in School.

Download

Download this article as a PDF