Una boccata d’idrogeno
Jeremy Rifkin

Julio Verne, nel suo romanzo “l’isola misteriosa” ad un certo punto fa chiedere da un marinaio di nome Pencroff all’ingegnere Cyrus Smith, cosa accadrebbe se venisse a finire il carbone. “L’acqua – risponde l’ingegnere – scomposta nei suoi elementi costitutivi. ... Sì amici, io credo che l’acqua sarà un giorno impiegata come combustibile, che l’idrogeno e l’ossigeno di cui è costituita, utilizzati isolatamente o simultaneamente, offriranno una sorgente di calore e di luce inesauribili e di un’intensità che il carbon fossile non può dare... L’acqua è il carbone dell’avvenire”. Era il 1874. Cinquant’anni dopo, in una lezione alla Cambridge University del 1923, lo scienziato John Burden Sanderson Haidane, poco più che ventenne, predisse l’idrogeno come combustibile del futuro. L’intuizione era così rivoluzionaria da sollevare incredulità e diffidenza: prevedeva stormi di mulini a vento metallici che ruotando avrebbero fornito corrente ad alta tensione a giganteschi elettrodotti. Nelle giornate ventose la potenza in eccesso sarebbe stata accumulata nella scomposizione elettrolitica dell’acqua in ossigeno e idrogeno, da utilizzare nei periodi di calma di vento in motori a scoppio collegati a dinamo o più probabilmente a celle di ossidazione. Secondo Haidane un grande vantaggio dell’idrogeno era che la possibilità di distribuirlo in ogni angolo del Paese consentiva la decentralizzazione dell’industria. Queste visioni e queste intuizioni sono divenute oggi oggetto di una febbrile attenzione da parte dei vertici delle maggiori società energetiche del mondo, delle case automobilistiche, delle aziende di servizi pubblici, dei politici e di un crescente numero di organizzazioni non governative. Phil Watts, presidente della Royal Dutch Shell, ha informato che la Shell ha già destinato un miliardo di dollari per finanziare la transizione dai combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) all’economia dell’idrogeno. Frank Ingriselli, manager della Texano, ha osservato che il movimento ambientalista, l’innovazione e le forze del mercato stanno spingendoci inevitabilmente verso l’epoca dell’idrogeno “chi non seguirà questa tendenza è destinato a pentirsene.”
La frase “economia dell’idrogeno” è stata coniata dalla General Motors, la più grande casa automobilistica del mondo, ancora nel 1970. Nel 2000 Robert Purceli, direttore gerenerale dell’Advanced Technology Vehicles della GM, ha confermato: “il nostro scenario a lungo termine è un’economia dell’idrogeno”.
Ma perché proprio l’idrogeno? Perchè costituisce una sorgente energetica virtualmente illimitata, pari al 75% della massa dell’universo e al 90% delle sue molecole. Il termine utilizzato dagli scienziati per evidenziare il cambiamento del rapporto carbomo-idrogeno è “decarbonizzazione”. La legna, usata per la maggior parte della storia umana come fonte d’energia primaria, contiene dieci atomi di carbonio per ogni atomo di idrogeno (10/1); nel carbone gli atomi di carbonio sono il doppio di quelli di idrogeno (2/1; il petrolio ha un atomo di carbonio ogni due di idrogeno (1/2/1) mentre il gas naturale ne ha uno su quattro (1/4/1). Questo significa che ogni successiva fonte energetica emette meno anidride carbonica della precedente. Secondo l’International Istitute for Applied Systems Analysis di Vienna, anche se le emissioni di CO2 continuano ad aumentare, negli ultimi centoquarant’anni l’emissione di carbonio per unità di energia primaria consumata è diminuita di circa lo 0,3% l’anno. Se è vero che il mondo ha progressivamente favorito gli atomi di idrogeno rispetto a quelli carbonio, se l’evoluzione del sistema energetico coincide con la tendenza alla “decarbonizzazione”, allora l’idrogeno non può che rappresentare la conclusione del percorso. Del resto l’idrogeno suscita aspettative sempre più diffuse: è la forma più leggera e immateriale di energia, la più efficiente nella combustione. Il percorso storico/energetico, che può anche essere letto come un costante passaggio dal pesante al leggero, dal materiale all’immateriale, trova paralleli progressivi nel corrispondente alleggerimento dell’attività industriale, dalle pesanti tecnologie legate al vapore sino alla virtualità delle tecnologie informatiche contemporanee. In effetti la “decarbonizzazione” significa non solo progressiva eliminazione degli atomi di carbonio ma anche la smaterializzazione dei combustibili, passati dallo stato solido della legna e del carbone a quello liquido del petrolio e infine a quello gassoso del gas naturale e dell’idrogeno. Questo passaggio ha reso più rapidi ed efficienti i flussi di trasporto: rispetto al carbone sui carri ferroviari, è più facile trasportare petrolio negli oleodotti e gas naturale nelle condutture.
Se già negli anni ’30 e ’40 l’idrogeno era impiegato in Germania e in Inghilterra come carburante sperimentale per automobili, autocarri, locomotive, perfino sommergibili e siluri, oggi la sua produzione mondiale è pari a circa il 10% della produzione mondiale di petrolio. L’idrogeno trova impiego come base e materia prima in numerosi processi di fabbricazione, dalla produzione di fertilizzanti a base ammoniacale alla idrogenazione di oli organici commestibili ricavati da pesce, arachidi e mais; ma la sua considerazione come combustibile scatta solo con la prima crisi petrolifera del 1973 allorché gli Stati Uniti e altri Paesi cominciarono a destinare finanziamenti pubblici alla ricerca sull’idrogeno. L’interesse, scemato proporzionalmente alla caduta del prezzo del petrolio, riprese dopo gli allarmanti rapporti sul riscaldamento del clima causato dalle emissioni in atmosfera da parte dei combustibili fossili. Per geologi, climatologi e ambientalisti la parola d’ordine divenne allora “decarbonizzazione”. La prima casa solare autarchica che utilizzava idrogeno per l’immagazzinamento a lungo termine dell’energia venne costruita nel 1992 dal Fraunhofer Institut di Friburgo. Nel 1994 a Geel, in Belgio, entrarono in circolazione i primi autobus urbani a idrogeno. Poi nel febbraio del 1999 l’Islanda annunciò un programma a lungo termine volto a trasformare la propria economia sull’idrogeno attraverso una joint-venture internazionale, la “Iceland New Energy” di cui gli islandesi controllano il 51,01%. Secondo il suo presidente Thorstein Sigfusson, docente di fisica all’università di Reykjavik, l’obiettivo di “Iceland New Energy” è giungere entro 20 anni a una completa gestione dell’economia islandese con l’idrogeno. Si parte col convertire a idrogeno il parco automobili, poi ci si organizza per produrre con l’idrogeno calore, luce ed energia elettrica per fabbriche, uffici e abitazioni. Analogo progetto è in corso nelle Hawaii, col proposito di affrancarsi dalle importazioni energetiche dall’Alaska e dall’Asia convertendo in idrogeno l’energia geotermica e solare che dispone in abbondanza. Hermina Monta, il deputato che presiede la commissione legislativa per la riduzione della dipendenza energetica delle Hawaii, afferma che obiettivo dell’amministrazione è coprire il fabbisogno locale e vendere il surplus alla California.
Ma se è vero che l’idrogeno è dovunque: nell’acqua, nei combustibili fossili e in tutte le creature viventi, in realtà è sempre combinato con qualcos’altro da cui va liberato. Appare dunque come un veicolo di energia, una forma secondaria che deve essere prodotta, come l’elettricità. Ci sono diversi modi per produrlo. Oggi, gran parte dell’idrogeno prodotto nel mondo è estratto dal gas naturale (ma anche da carbone gassificato, con costi più elevati) attraverso un processo che libera atomi di idrogeno e ha come sottoprodotto anidride carbonica. Secondo alcuni in futuro (fra una decina d’anni) sarà possibile isolare e rimuovere l’anidride carbonica generata nella conversione e immagazzinarla in siti sotterranei. Ma, se come alcuni geologi prevedono, il picco della produzione globale di gas naturale si verificasse intorno al 2020, l’idrogeno dovrà essere prodotto da altre fonti. Infatti secondo l’Energy Power Research Institute, l’introduzione nei prossimi vent’anni di centinaia di nuove centrali alimentate a gas naturale porterà la generazione elettrica dal metano a coprire fra il 15 e il 60% del totale, portando via via i prezzi del metano alle stelle. Se pare insensato puntare sul gas per la produzione di idrogeno, bisogna allora ricorrere all’elettrolisi, sistema ben conosciuto ma non molto utilizzato perché richiede elettricità, che determina un costo fino a tre o quattro volte superiore a quello dell’idrogeno ricavato dal metano. La vera domanda diventa allora: è possibile trovare forme d’energia rinnovabili – fotovoltaica, eolica, idroelettrica e geotermica – capaci di generare ad un prezzo accettabile l’elettricità necessaria al processo elettrolitico richiesto per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno?
Il primo caso di sfruttamento su larga scala dell’energia solare per la produzione di elettricità risale agli anni ’80 nel deserto di Mojave, fra Las Vegas e Los Angeles, ove furono costruiti specchi parabolici per catturare i raggi solari in impianti fotovoltaici che ancor oggi forniscono 354 megawatt di elettricità ad abitazioni e fabbriche della regione. I 48 milioni di dollari investiti per fornire elettricità da impianti solari a 400.000 abitanti di centocinquanta villaggi nell’isola di Mindanao (Filippine) costituisce l’iniziativa di questo tipo più importante al mondo: anche se i costi sono oggi tra due a cinque volte più alti rispetto a elettricità a prodotta in impianti a combustibili fossili, sono previsti prossimi avvicinamenti consentiti da innovazioni tecnologiche ed economie di scala. 2,5 milioni di dollari ha assorbito invece il primo impianto statunitense per la produzione di idrogeno da energia fotovoltaica, inaugurato a San Segundo in California il 26 settembre 1995. L’elettrolizzatore produce tra i 370 e i 500 metri cubi di idrogeno al giorno che viene quindi compresso, essiccato e stivato. Alcuni vertici della Shell e della British Petroleum hanno sostenuto che in meno di 50 anni il 50% del totale della domanda mondiale di energia sarà soddisfatto dall’energia solare e da altre fonti rinnovabili.
Andiamo per ordine. Dal punto di vista strettamente economico, la forma di energia rinnovabile più efficiente è quella eolica tanto che calcoli alla mano il Department of Energy degli Stati Uniti sostiene che in alcune aree l’energia eolica è già oggi competitiva con quella generata nelle centrali a gas naturale. Più in generale, se nei prossimi anni il costo dell’energia eolica scendesse al di sotto di 1,5 centesimi di dollaro per kilowattora, l’idrogeno generato elettroliticamente ricorrendo all’energia eolica risulterebbe concorrenziale con la benzina. L’industria dell’energia eolica è uno dei segmenti del mercato mondiale in maggiore espansione e l’European Wind Association prevede che entro il 2020 l’energia eolica produrrà il 10% dell’elettricità oggi consumata nel mondo. In Danimarca il vento fornisce oggi il 14% dell’elettricità generata nel Paese ed il 15% in alcune regioni settentrionali della Germania. Uno studio stima che il potenziale di generazione eolica lungo le coste del Baltico e del Mare del Nord è sufficiente a coprire le necessità energetiche dell’intera Europa continentale. Ma anche i Paesi in via di sviluppo stanno espandendo la propria capacità di generazione eolica: l’India è uno dei cinque maggiori produttori di energia eolica ed entro il 2030 produrrà 10 Gw di energia elettrica eolica a copertura del 25% dell’attuale fabbisogno nazionale. Altra potenziale fonte d’energia rinnovabile per la produzione di idrogeno è l’energia idroelettrica, che già oggi copre circa il 19% del fabbisogno elettrico mondiale. L’energia geotermica copre oggi solo lo 0,1%, ma ha un enorme potenziale. Aree geotermiche si trovano nel Pacifico, in India, nel Sudest asiatico, lungo le coste della Cina e del Giappone, sulle coste occidentali del Canada, degli Stati Uniti e dell’America meridionale, in alcune zone del Mediterraneo, in Russia e in Africa orientale. L’Islanda e le Hawaii si affiderano sempre più all’energia geotermica per ottenere l’elettricità necessaria alla produzione elettrolitica dell’idrogeno. Anche i rifiuti agricoli e industriali, sottoforma di biomasse, possono essere utilizzati per generare elettricità. Per compensare le emissioni di CO2 generate dal processo di gassificazione delle biomasse, si potrebbe piantare un numero di alberi ad equivalente assorbimento.
Ma c’è un punto che va ribadito: ogni ipotesi fondata su fonti energetiche rinnovabili è vana se non si ricorre all’idrogeno come veicolo di immagazzinamento dell’energia: quando il sole non splende, il vento non soffia, l’acqua non scorre, non si può generare energia elettrica e il sistema si blocca. Il sistema più efficiente per ottenere elettricità dall’idrogeno risiede nelle celle a combustibile. Le celle a combustibile sono come le batterie ma mentre queste ultime progressivamente si scaricano, le celle a continuano a generare elettricità finché dall’esterno vengono forniti combustibile e ossidante. Una cella a combustibile è costituita da un anodo negativo e da un catodo positivo e da un elettrolito che permette agli atomi di idrogeno, caricati elettricamente, di passare dall’anodo al catodo. Una cella a combustibile funziona secondo un processo inverso a quello dell’elettrolisi, non ha parti in movimento, è silenziosa ed è fino a 2,5 volte di ogni motore a combustione interna. Gli unici prodotti che genera sono elettricità (corrente continua), calore e acqua distillata. Una cella a combustibile delle dimensioni di un frigorifero può fornire fino a 50 kilowatt di elettricità, cioè quanto basta per una palazzina.
L’economia dell’idrogeno è dunque all’orizzonte e molte delle più importanti strutture di settore prevedono che l’economia dell’idrogeno e la relativa rete energetica mondiale rappresenteranno la prossima, grande rivoluzione nel mondo imprenditoriale. Quanto rapidamente vi giungeremo dipende dalla determinazione a lasciarci alle spalle l’era del petrolio con i suoi costi diretti e indiretti. Se è vero che il processo di costruzione di una nuova economia energetica fondata sull’idrogeno sarà difficile e costoso, è anche vero che in questo momento possediamo gli strumenti e la ricchezza per iniziarlo. Del resto il mondo di Internet e del Web, che ha cambiato il modo di operare delle aziende e di comunicare delle persone, è stata costruito in soli 10 anni. Buon lavoro.

Testo raccolto da Wittfrida Mitterer durante il convegno “L’era dell’idrogeno” tenutosi a Bolzano il 9.6.2005 su iniziativa dell’assessore provinciale all’ambiente Michl Laimer, nell’ambito della Fiera Mondiale dei veicoli a gas naturale e idrogeno.