Dal verde all'oro: colori e tipi di idrogeno
L'idrogeno è il primo elemento della tavola periodica, ha simbolo H e numero atomico uno. Ciò significa che nel nucleo si trova un solo protone e che attorno al nucleo gravita un solo elettrone. È incolore, insapore, è l'elemento più leggero e più abbondante dell'universo. È altamente infiammabile e viene utilizzato come combustibile nelle stelle, alimentando la fusione nucleare e fornendoci luce e calore.
Mentre la forma più diffusa di idrogeno è l'idrogeno molecolare (H2) nel cosmo, sulla Terra lo troviamo legato ad altri atomi. Per esempio, lo troviamo negli idrocarburi come il metano (CH4), l'acqua (H2O) e l'ammoniaca (NH3). Non esiste come molecola a sé stante (H2). Pertanto, deve essere prodotto sinteticamente utilizzando vari metodi contrassegnati da colori diversi.
L'idrogeno verde o idrogeno elettrolitico è quello prodotto dall'elettrolisi dell'acqua. La materia prima è l'acqua che, per mezzo di una corrente elettrica, viene convertita in gas di idrogeno (H2) e ossigeno (O2) (1).
Per essere definito idrogeno verde, la corrente elettrica deve essere fornita da fonti di energia rinnovabili come l'energia eolica o solare.
Questa è la forma più desiderabile di idrogeno, poiché l'unico sottoprodotto è l'ossigeno molecolare (2) e il reagente di questa reazione chimica è l'acqua, una sostanza abbondante e pulita. Inoltre, se l'approvvigionamento energetico proviene da fonti rinnovabili, nel processo di produzione dell'idrogeno non sono coinvolti gas a effetto serra, come l'anidride carbonica (CO2) o il metano (CH4).
Sono state sviluppate diverse tecnologie per la produzione di idrogeno verde, come l'elettrolisi dell'acqua alcalina (AWE) o l'elettrolisi dell'acqua a membrana a scambio protonico (PEM). Tutte funzionano a temperature relativamente basse (60-90 °C) e prevedono l'utilizzo di una cella elettrochimica composta da anodo e catodo separati da un diaframma o da una membrana.
L'idrogeno prodotto attraverso l'elettrolisi dell'acqua è ancora costoso e rappresenta un mercato emergente delle tecnologie pulite alimentato da fondi e sovvenzioni governative. Rappresenta solo lo 0,1% della produzione mondiale di idrogeno, ma si prevede che raggiungerà nuovi orizzonti nei prossimi decenni a causa di leggi climatiche più severe su temi ambientali come le emissioni di gas serra.
L'idrogeno può essere prodotto anche dalla gassificazione del carbone, il cosiddetto idrogeno nero: partendo da carbone, acqua e ossigeno, questo processo produce syngas, una miscela composta da monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2) e idrogeno (H2). Se al posto del carbone nero viene utilizzata la lignite, questo tipo di produzione di idrogeno viene identificato come idrogeno marrone.
L'idrogeno grigio è prodotto dallo Steam Reforming del metano (SMR), un metodo per produrre syngas (CO e H2) attraverso la reazione degli idrocarburi con l'acqua. Di solito, il gas naturale, come il metano, è la materia prima.
Si tratta della forma più comune di produzione di idrogeno; infatti, quasi il 95% dell'idrogeno prodotto in tutto il mondo proviene oggi dalla SMR. Si tratta di una tecnologia matura che utilizza vapore ad alta temperatura (700°C-1000°C) per produrre idrogeno da una fonte di metano. Con questa tecnica, il metano (CH4) reagisce con il vapore (H2O) a una pressione di 3-25 bar in presenza di un catalizzatore per produrre idrogeno (H2), monossido di carbonio (CO) e una quantità relativamente piccola di anidride carbonica (2).
Successivamente, il monossido di carbonio (CO) e il vapore (H2O) vengono fatti reagire con un catalizzatore per produrre anidride carbonica (CO2) e altro idrogeno (H2) (3).
Nella fase finale del processo, l'anidride carbonica e altre impurità vengono rimosse dal flusso di gas, lasciando essenzialmente idrogeno puro.
Nonostante sia la forma più diffusa di produzione di idrogeno, lo steam reforming del metano è una tecnica di produzione non sostenibile, poiché i gas serra, metano e anidride carbonica, sono sia reagenti che prodotti di questa reazione chimica. Tuttavia, grazie alla maturità della tecnologia SMR, l'idrogeno grigio spicca tra le altre forme di produzione di idrogeno, soprattutto rispetto all'idrogeno verde, per il suo basso costo.
Se l'anidride carbonica prodotta nell'idrogeno nero o grigio viene catturata e stoccata geologicamente o riutilizzata, l'idrogeno viene identificato come idrogeno blu. Questo tipo di idrogeno è definito a basso contenuto di carbonio, poiché circa il 10%-20% del carbonio generato non può essere catturato.
Di conseguenza, non può essere considerato completamente carbon neutral. Nonostante sia attraente per le sue emissioni relativamente “basse”, questa forma di idrogeno produce e utilizza comunque gas a effetto serra, rispettivamente come risultato della reazione chimica e per la sua produzione.
Esistono forme alternative di idrogeno, come l'idrogeno viola e l'idrogeno dorato. L'idrogeno viola è l'idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua, ma la corrente elettrica è fornita dall'energia nucleare anziché dalle fonti rinnovabili. Infine, l'idrogeno d'oro, detto anche idrogeno bianco, naturale o geologico, è l'idrogeno prodotto naturalmente sulla Terra. Infatti, la Terra possiede vaste scorte di idrogeno naturale che potrebbero essere estratte dal terreno attraverso processi naturali, come la serpentinizzazione, la radiolisi dell'acqua o le attività biologiche, che producono il cosiddetto idrogeno d'oro.
In conclusione, l'idrogeno molecolare (H2) può essere prodotto con varie tecniche. Attualmente si pone molta enfasi sulla produzione di idrogeno verde, che si distingue dalle altre forme per le sue prospettive sostenibili e la capacità di decarbonizzare l'energia e i settori hard-to-abate.