Sperimentazione e innovazione: l’idrogeno come combustibile per caldaie e fonte energetica per le auto

I generatori a condensazione, quelli a biomassa e le pompe di calore rappresentano soluzioni efficaci che riescono ad offrire rendimenti maggiori, unitamente ad intrinseci risparmi economici ed energetici nonché contenimento nelle emissioni nocive rilasciate in atmosfera.
Il settore della climatizzazione, nella fattispecie per il riscaldamento invernale, è tuttavia fortemente innovativo e alla continua ricerca di nuove tecnologie che massimizzino i risultati in termini di prestazioni, efficienza e sostenibilità, ponendo quindi grande focus sulla riduzione delle emissioni di monossido di carbonio (CO) e gas serra (CO₂ e NO_X).
 
Tra le innovazioni più interessanti degli ultimi anni c’è senza dubbio quella dell’utilizzo dell’idrogeno come combustibile, sia per mezzi di trasporto nonché come fonte di energia elettrica e termica.
L’idrogeno è un gas inodore e incolore, non percepibile dai sensi umani, classificato come estremamente infiammabile dal repertorio normativo relativo alle sostanze e i preparati pericolosi, avente una densità quattordici volte inferiore a quella dell’aria: per le sue caratteristiche, è il gas con il più alto rapporto energia/peso; 1 Kg di idrogeno, infatti, contiene lo stesso quantitativo energetico di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina.
 
L’idrogeno non è presente in natura allo stato puro, ma la sua disponibilità è pressoché illimitata: basti pensare, a titolo d’esempio, alla composizione molecolare dell’acqua e che questa è il composto (due molecole di idrogeno - H₂ - e una di ossigeno - O) più diffuso sulla Terra. Allo stato elementare esso esiste sotto forma di molecola biatomica H2 e, al contrario dei combustibili fossili, l’idrogeno è un vettore energetico privo di carbonio: grazie a questa sua caratteristica, le emissioni della combustione sono prive di CO2. Un’ulteriore peculiarità che rende particolarmente interessante l’impiego dell’idrogeno anche negli impianti di riscaldamento è l’assenza di fiamma durante la combustione, evitando sostanzialmente la formazione degli ossidi di azoto (NO_x).
 
In una cultura generale che sta prendendo coscienza della necessità di distaccarsi dall’utilizzo di combustibili fossili, in quanto risorse esauribili nel medio periodo e dannosi per l’ambiente, l’idrogeno rappresenta un’opportunità da sfruttare come: 
 

• elemento per lo stoccaggio di energia;
• vettore energetico per il trasferimento di energia;
• carburante non inquinante per la mobilità.

 
I metodi di produzione dell’idrogeno sono sostanzialmente due: lo si può estrarre dal gas naturale o dal carbone mediante il cosiddetto reforming (metodo già comprovato che tuttavia, essendo basato sull’utilizzo di un combustibile fossile, non elimina, seppur limitandole, le emissioni di gas serra in atmosfera), oppure lo si può ottenere mediante l’elettrolisi dell’acqua (processo che richiede l’utilizzo di energia elettrica ma che, di fatto, non produce emissioni se non acqua sotto forma di vapore - o condensa - e ossigeno puro).
 
Lo steam reforming è il processo che parte dagli idrocarburi per la produzione di gas di sintesi. Tuttavia, nella produzione di idrogeno, si riferisce principalmente alla conversione del gas naturale unitamente al vapore acqueo. La prima fase, reforming primario, è endotermica, ossia avviene ad elevata temperatura (a partire da circa 700 °C), e porta alla produzione di syngas (gas di sintesi) attraverso la reazione del gas naturale con il vapore acqueo; la miscela ottenuta è costituita da metano residuo, monossido di carbonio, acqua e idrogeno. La seconda fase, reforming secondario, avviene mediante l’utilizzo di aria in una post-combustione, che ha lo scopo di eliminare il metano residuo e di ottenere una maggiore concentrazione di monossido di carbonio e idrogeno; in questa fase, il monossido di carbonio (CO) viene trasformato in anidride carbonica (CO₂) mediante la combinazione con ossigeno.
 
L'elettrolisi dell'acqua è un processo nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassoso. La cella elettrolitica è in genere composta da due elettrodi di un metallo inerte, tipicamente platino, immersi in una soluzione elettrolitica e connessi ad una sorgente di energia elettrica: la corrente elettrica dissocia la molecola d'acqua negli ioni H⁺ e OH^-; al catodo gli ioni idrogeno H⁺ acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta alla formazione di idrogeno gassoso secondo la formula
 
2H⁺ + 2e^- = H₂
 
mentre all'anodo, gli ioni idrossido OH^- subiscono ossidazione, cedendo elettroni secondo la formula
 
4 OH^- - 4e^- = 4 OH = 2 H₂O + O₂
 
formando quindi un volume di idrogeno quasi doppio rispetto al volume di ossigeno.
 
Dai processi descritti sopra la ricerca è partita per la produzione di celle a combustibile: ossia dispositivi elettrochimici che, in modo similare ad una batteria, accumulano l’energia generata, la quale può essere direttamente utilizzata per alimentare un carico elettrico, ad esempio un motore o un sistema di illuminazione, o per riscaldare, sfruttandone il potenziale termico, mediante uno scambiatore che veicoli l’energia termica verso l’acqua di circuito d’impianto o stoccata in serbatoi d’accumulo.
Il calore viene prodotto dalla combinazione spontanea di idrogeno e ossigeno, la cui reazione catalitica, priva di fiamma che avviene all’interno di appositi combustori, necessita di un apporto energetico per portare la miscela alla temperatura di reazione.