L’idrogeno: combustibile del futuro?
Introduzione all’idrogeno e alle sue tecnologie
In questo articolo viene spiegato che cos’è l’idrogeno, come si produce, si accumula e si consuma e perché il suo ruolo è così importante nella transizione energetica.
Il diidrogeno (H₂), comunemente detto idrogeno, è un combustibile di cui si sente parlare moltissimo ultimamente e che può essere utilizzato in molto modi differenti. È composto dall’elemento più abbondante dell’universo, ma come gas è scarsamente disponibile allo stato libero sulla Terra, perciò deve esser prodotto e non è quindi classificabile come una fonte primaria di energia. La sua densità energetica per unità di massa è molto maggiore rispetto ai combustibili tradizionali: basti pensare che bruciare un chilogrammo di idrogeno produce tre volte più calore che bruciarne uno di benzina. D’altro canto però è il gas meno denso che ci sia, un chilogrammo di benzina in condizione di temperatura e pressioni standard occupa 1,35 litri, mentre l’idrogeno circa novemila volte tanto. Per questo motivo per le applicazioni pratiche deve essere portato ad elevato pressioni o addirittura liquefatto, dunque l’accumulo rappresenta il principale limite per le sue applicazioni.
Data la sua composizione, la sua reazione con l’ossigeno presenta il vantaggio di non liberare anidride carbonica; diversamente, la sua produzione può comportare l’emissione di gas serra a seconda della sostanza da cui viene prodotto. L’idrogeno, oltre a poter essere impiegato come combustibile o reagente chimico in diverse industrie, viene proposto come alternativa ai combustibili fossili in tutti i settori in cui non è possibile l’elettrificazione, grazie alla possibilità di conversione diretta in elettricità.
Figura 1 - Schema dei metodi di produzione e impiego dell'idrogeno.
Produzione
L’idrogeno può essere prodotto da tre fonti: combustibili fossili, acqua e biomasse. A seconda del metodo con cui è stato prodotto e dell’impatto ambientale che ne deriva, l’idrogeno si distingue in diverse categorie, associate convenzionalmente a dei colori. [1]
L’idrogeno viene prodotto da metano o petrolio e combustibili solidi tramite rispettivamente steam reforming e gassificazione. Data la conoscenza avanzata di tali processi, l’idrogeno così prodotto è il più economico e tuttora quello maggiormente utilizzato. La produzione di idrogeno molecolare da queste fonti fossili implica la generazione di grandi quantità di CO₂ e, pertanto, l’idrogeno così prodotto è detto “grigio”. Se però le emissioni sono catturate e stoccate allora l’idrogeno è detto “blu" e costituisce un buon compromesso tra costo e impatto ambientale. [1]
L’idrogeno può anche essere prodotto dall’acqua tramite i cosiddetti elettrolizzatori o celle elettrolitiche, alimentati da energia elettrica. Se è l’energia da fonte rinnovabile ad alimentare questi processi, l’idrogeno prodotto è chiamato “verde” e non avviene alcuna emissione climalterante durante la sua produzione. Se invece viene impiegata energia elettrica prodotta da altra fonte, allora all’idrogeno sono associati altri colori, ad esempio rosa se alimentato da energia nucleare. [1]
L’idrogeno può essere prodotto da biomasse (ad esempio biomassa legnosa, scarti agricoli, rifiuti...) tramite reazioni chimiche, principalmente pirolisi o gassificazione o, in alternativa, può essere prodotto anche tramite microrganismi fotosintetici, capaci di produrlo direttamente nella sua forma molecolare. [1]
Figura 2 - I colori dell'idrogeno
Stoccaggio
Data la sua infiammabilità e leggerezza lo stoccaggio dell’idrogeno rappresenta la sua criticità principale: un chilo di idrogeno a temperatura ambiente e pressione atmosferica occupa ben 11 m³ [1].
Esistono sei soluzioni per lo stoccaggio di idrogeno:
Idrogeno compresso
Lo stoccaggio dell’idrogeno nella forma compressa compresso è il metodo più diffuso. Questa soluzione consente un accumulo e rilascio di idrogeno piuttosto rapido e quest’ultimo non necessita di energia. Tuttavia, la compressione comporta un consumo di energia compreso tra 13% e 18% del contenuto di energia dell’idrogeno stesso. I serbatoi più performanti sono costituiti da materiali compositi e consentono un accumulo fino a 700 bar. Le elevate pressioni comportano la necessità di misure di sicurezza atte ad evitare le esplosioni e valvole dedicate capaci di alte riduzioni di pressione. [2]
Idrogeno liquefatto
Per raggiungere lo stato liquido l’idrogeno deve essere portato a temperature esternamente basse, pari a 21 K (-253 °C), e tale processo richiede una notevole quantità di energia, fino al 40% dell’energia dell’idrogeno stesso. In tali condizioni il tasso di rilascio e accumulo è simile a quello dell’idrogeno compresso e presenta un’energia di espansione adiabatica bassa, che evita danni a seguito di una fuoriuscita improvvisa. I contenitori sono più sottili e possono essere realizzati a base di materiali molto più economici e comuni, quali alluminio e acciaio inossidabile. [2]
Idrogeno criocompresso
La criocompressione è una soluzione in cui l’idrogeno è presente sia nella forma gassosa che nella forma liquida all’interno del serbatoio. Per fare ciò il fluido deve trovarsi a 21 K e pressioni comprese tra i 250-350 bar. In questo modo si garantiscono densità energetiche ancora più elevate e l’evaporazione è molto più contenuta, ma serve un’energia ancora maggiore per l’accumulo e contenitori particolarmente costosi. [2]
Idrogeno adsorbito
L’idrogeno può interagire chimicamente con i metalli per formare gli idruri metallici: l’idrogeno atomico si diffonde e si lega al reticolo del metallo o lega. Gli idruri metallici costituiscono il metodo di accumulo dell’idrogeno più performante in termini di densità energetica. Inoltre, le pressioni e le temperature dei serbatoi sono moderate e ne consegue che sono una soluzione piuttosto sicura. Gli svantaggi principali sono l’accumulo e il rilascio lento e la necessità di fornire energia per il rilascio.
In alternativa al chemisorbimento l’adsorbimento può essere fisico: le molecole di diidrogeno si legano alle superfici dei materiali. In questo caso il tasso di accumulo e rilascio dell’idrogeno è alto. Tuttavia a temperatura ambiente la capacità di questo sistema è limitata e per far sì che questa sia ragionevolmente elevata bisognerebbe raggiungere temperature criogeniche od elevate pressioni. Per questi motivi il cosiddetto fisisorbimento presenta comunque un potenziale limitato per l’accumulo di idrogeno. [2]
Vettori organici liquidi o idruri liquidi organici
Nei vettori liquidi organici o idruri organici liquidi l’idrogeno reagisce chimicamente con una molecola organica liquida. Il vettore viene deidrogenato all’occorrenza, conservato e di nuovo idrogenato successivamente. I più grandi vantaggi di questo sistema di accumulo sono il possibile impiego delle infrastrutture per il rifornimento di benzina già esistenti e la densità energetica, maggiore di quella dell’idrogeno compresso. Tuttavia possono richiedere alta energia per la deidrogenazione. [2]
Figura 3 - Metodi di stoccaggio dell'idrogeno
Impiego
Nel 2019 la maggior parte dell’idrogeno prodotto è stato impiegato nell’industria chimica: essa ha assorbito il 90% della produzione per la creazione di ammoniaca, metanolo e nella raffinazione del petrolio greggio [3]. Oltre all’uso come additivo chimico, l’idrogeno può essere impiegato come fonte di energia, bruciato oppure convertito in energia elettrica attraverso le celle a combustibile.
Le pile a combustibile (composte da celle a combustibile, fuel cell) sono dei dispositivi elettrochimici che a partire da un combustibile, tipicamente idrogeno, e un comburente, l’ossigeno contenuto nell’aria, generano energia elettrica e acqua come scarto. In realtà possono impiegare diversi tipi di combustibile, ma si incentiva l’uso dell’idrogeno perché estremamente reattivo anche a basse temperature e in quanto non produce sostanze inquinanti come CO₂ o CO. Questi dispositivi presentano generalmente rendimenti mediamente elevati, fino al 60%, e alcune di esse sono molto adatte per la creazione di gruppi cogenerativi, dove l’acqua calda di scarto viene riutilizzata in ambiente domestico, o addirittura per l’alimentazione di turbine a vapore per la generazione di ulteriore energia elettrica. In maniera analoga ad una batteria una cella a combustibile si compone di due elettrodi e un elettrolita. L’anodo viene raggiunto dall’idrogeno che perde elettroni (ossidazione) e si scompone in ioni per raggiungere il catodo, dove arriva l’ossigeno (riduzione). Attraverso un circuito esterno gli elettroni dell’idrogeno raggiungono il catodo, dove si uniscono ad ossigeno ed idrogeno per formare acqua, calda poiché parte dell’energia del processo si disperde sotto forma di calore.[4]
Figura 4 - Principio di funzionamento della cella a combustibile
Le celle a combustibile vengono distinte tra celle a bassa temperatura ed altra temperatura, in funzione della temperatura di lavoro, che può essere inferiore o superiore a 100 °C. Le diverse tecnologie si distinguono poi per il tipo di elettrolita che impiegano. [4]
Le basse temperature consentono un impiego più agevole nelle applicazioni di piccole o medie dimensioni, tuttavia non riescono a garantire rendimenti elevati come quelle ad alta temperatura: l’alta temperatura favorisce la reattività e quindi necessitano di minori quantità di catalizzatori, che costituiscono la parte più delicata e costosa degli elettrodi. [4]
Le celle ad alta temperatura sono convenienti specie nei casi ove è possibile riutilizzare l’energia dell’acqua di scarto. Le alte temperature costituiscono il principale vantaggio, determinando un aumento del rendimento e contemporaneamente svantaggio, perché introducono criticità in termini di stabilità chimica e isolamento.[4]
Le celle a combustibile rappresentano insieme agli elettrolizzatori le tecnologie chiave per l’uso dell’idrogeno verde e quindi della transizione energetica. Diventa quindi fondamentale che questi dispositivi raggiungano prezzi accessibili e rendimenti elevati.
Usi principali
Sostituto del gas naturale o metano, o additivo: l’idrogeno verde rappresenta in primo luogo l’alternativa pulita a gas o metano. In particolare l’obiettivo in Europa è che prenda il loro posto principalmente nel riscaldamento degli edifici [5]. In quanto gas si dovrebbero solamente convertire le infrastrutture già esistenti senza le necessità di dover ripensare completamente l’approvvigionamento energetico.
Trasporti: L’idrogeno, in combinazione con le fuel cell, può essere impiegato come combustibile pulito per i trasporti. Con ogni probabilità il suo utilizzo sarà possibile in quelli di taglia maggiore, come camion, navi o addirittura aerei se accumulato allo stato liquido, mentre per i quelli di piccola taglia avrà applicazioni più limitate considerati i problemi di sicurezza.
Alternativa all’idrogeno grigio: il mercato globale dell’idrogeno è già piuttosto grande, valutato miliardi di dollari nel 2024. Da sempre la quasi totalità è coperta dall’idrogeno grigio (74% del mercato) che ha un prezzo molto più competitivo rispetto a quello verde. Anche solo sostituendo completamente quello verde a quello grigio si otterrebbe una significativa riduzione delle emissioni.[6]
Accumulo di energia: Produrre idrogeno verde è un modo relativamente semplicemente per trasformare l’eccesso di energia elettrica in energia chimica, molto più facile da accumulare e trasportare. L’idrogeno rappresenta già una soluzione tecnicamente fattibile e in alcuni scenari anche economicamente conveniente per l’accumulo dell’energia a lungo termine. In futuro potrebbe diventarlo anche per aiutare la rete a rimanere stabile con le rinnovabili.
Conclusione
L’idrogeno è un combustibile che potrà giocare un ruolo chiave nel futuro, nello specifico in tutti quei settori dove non si può fare a meno della densità di energia dei combustibili. Tuttavia la sua introduzione non è affatto semplice. In primo luogo vi è il problema della pericolosità, in quanto gas molto leggero ed esplosivo. In secondo luogo le sue tecnologie sono ancora in fase di sviluppo, abbastanza avanzate da esistere per applicazioni specifiche, ma non abbastanza da avere rendimenti elevati e non diffuse a sufficienza per avere un prezzo competitivo.
Al momento lo scenario più realistico è che la maggior parte dell’idrogeno verde verrà importato dai paesi dove la produzione rinnovabile è così significativa da rendere il prezzo dell’elettricità estremamente basso e di conseguenza quello dell’idrogeno accessibile. L’obiettivo è che questo possa essere un giorno minore anche di quello grigio diventando a tutti gli effetti competitivo. Tuttavia, sebbene molti governi e l’Europa stiano investendo molto su questo combustibile, non è del tutto chiaro se sarà effettivamente capace di contribuire al cambiamento, considerati i suoi limiti.
E voi cosa ne pensate? Credete che l’idrogeno potrà contribuire al cambiamento?
Grazie per la lettura.
FONTI
[1] P. Macini e E. Mesini, Energia: risorse, tecnologia e ambiente. Bologna: Bononia University Press, 2021.
[2] M. R. Usman, «Hydrogen storage methods: Review and current status», Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 167, p. 112743, ott. 2022, doi: 10.1016/j.rser.2022.112743.
[3] J. Brauns e T. Turek, «Alkaline Water Electrolysis Powered by Renewable Energy: A Review», Processes, vol. 8, fasc. 2, p. 248, feb. 2020, doi: 10.3390/pr8020248.
[4] D. Fabiani, «Tecnologie Elettriche Innovative», p. 335, 2019.
[5] «Hydrogen Roadmap Europe: A sustainable pathway for the European Energy Transition - Clean Hydrogen Partnership». Consultato: 16 gennaio 2026. [Online]. Disponibile su: https://www.clean-hydrogen.europa.eu/media/publications/hydrogen-roadmap-europe-sustainable-pathway-european-energy-transition_en
[6] «Dimensioni del mercato dell’idrogeno, prospettive di crescita 2025-2034». Consultato: 16 gennaio 2026. [Online]. Disponibile su: https://www.gminsights.com/it/industry-analysis/hydrogen-market