venerdì, Febbraio 26, 2021

Idrogeno verde con acqua e sole. Il brevetto Enea “riduce al minimo l’utilizzo di materiali”

Nella partita sull’idrogeno che vede governo italiano e istituzioni europee in prima fila giunge anche il brevetto Enea che ha individuato un nuovo modo di produrre idrogeno ed ossigeno, attraverso la decomposizione termica dell’acqua realizzata con l’energia solare. Ci siamo fatti raccontare dettagli e sviluppi

Andrea Turco
Andrea Turco
Giornalista freelance. Ha collaborato per anni con diverse testate giornalistiche siciliane - I Quaderni de L’Ora, radio100passi, Palermo Repubblica, MeridioNews - e nazionali. Nel 2014 ha pubblicato il libro inchiesta “Fate il loro gioco, la Sicilia dell’azzardo” e nel 2018 l'ibrido narrativo “La città a sei zampe”, che racconta la chiusura della raffineria di Gela da parte dell’Eni. Si occupa prevalentemente di ambiente e temi sociali.

La puntata della trasmissione tv Report del 18 gennaio scorso ha riacceso il dibattito sull’idrogeno come possibile elemento chiave per la transizione energetica. Anche noi di EconomiaCircolare.com abbiamo dedicato al tema uno speciale, che si può leggere qui.

Dopo il lancio a novembre delle linee guida per la strategia nazionale sull’idrogeno, il ministero dello Sviluppo Economico dovrebbe diffondere a febbraio il nuovo documento che raccoglie e integra le numerose osservazioni giunte da parte di stakeholder e addetti ai lavori. Mentre, in parallelo, il ministero dell’Università e della Ricerca ha elaborato le proprie linee guida per la ricerca. E intanto l’idrogeno ha già assunto un ruolo chiave anche nel Recovery Plan, attualmente all’esame del Parlamento. In questo quadro, corroborato da una forte spinta da parte dell’Unione Europea, si inserisce anche il recente brevetto Enea, che ha individuato un nuovo modo di produrre idrogeno ed ossigeno attraverso la decomposizione termica dell’acqua realizzata con l’energia solare.

Per capire di più sulle modalità, la genesi e i possibili sviluppi di questo progetto, ci siamo rivolti direttamente a Enea. A rispondere alle nostre domande sono l’ingegnere Silvano Tosti, responsabile del Laboratorio Tecnologie Nucleari del Dipartimento Fusione e tecnologie per la Sicurezza Nucleare presso la sede Enea di Frascati, e l’ingegnera Giulia Monteleone, responsabile del Laboratorio Accumulo di Energia, Batterie e tecnologie per la produzione e l’uso dell’idrogeno del Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili presso il centro ricerche Casaccia.

L’idrogeno verde è la soluzione di gran lunga meno impattante ma ancora problematico per quanto riguarda i costi. In che modo il brevetto Enea andrebbe a impattare sulla sostenibilità economica e ambientale?

L’idrogeno può essere prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, un processo privo di emissioni, che richiede grandi quantità di energia elettrica; l’idrogeno verde, l’unico totalmente pulito, si ottiene quando l’energia elettrica utilizzata è quella rinnovabile. Dal punto di vista della sostenibilità ambientale non si discute quale sia la scelta migliore da perseguire, tra idrogeno verde e idrogeno grigio; ma in effetti quello verde è oggi economicamente non conveniente rispetto a quello grigio prodotto da combustibili fossili, attraverso i tradizionali processi di reforming.

Il nuovo brevetto Enea, pur mantenendo la sostenibilità – per produrre l’idrogeno si utilizza acqua e una fonte rinnovabile di energia – potrebbe ridurre la complessità del processo e favorire un potenziale contenimento dei costi dell’intero sistema. Ciononostante, il nuovo processo di produzione dell’idrogeno, oggetto del brevetto, è attualmente a uno stadio di sviluppo concettuale con test condotti a livello di laboratorio; solo le successive fasi di sviluppo tecnologico potranno fornire indicazioni più chiare sulla sua economicità.

Qual è la principale novità introdotta dal brevetto?

La caratteristica principale del nuovo processo è quello di utilizzare in maniera diretta l’energia solare per scindere la molecola dell’acqua in idrogeno ed ossigeno. La radiazione solare viene concentrata su un dispositivo innovativo, un reattore a membrana in grado di separare selettivamente le due correnti gassose di idrogeno e ossigeno, con una conversione di reazione stimata di circa il 20% a 1900 °C: ciò significa che a questa temperatura circa il 20% delle molecole d’acqua reagiscono per produrre idrogeno e ossigeno. Nel processo di elettrolisi invece la resa energetica stimata è di circa il 10%, valore calcolato combinando un rendimento del 20% per i pannelli fotovoltaici e del 50% per gli elettrolizzatori. L’applicazione del nuovo processo permette potenzialmente di raggiungere rese più elevate nell’utilizzo dell’energia solare e di ridurre la complessità degli impianti trattandosi di un processo “diretto”.

La Strategia nazionale sull’idrogeno messa a punto dal Mise conferma che la costruzione di una filiera è tutta in divenire. Quale contributo potrebbe dare il brevetto Enea?

La pubblicazione da parte del Mise, a novembre 2020, delle linee guida della Strategia nazionale idrogeno, è solo l’ultima di una serie di iniziative che il nostro governo sta adottando per permettere all’Italia di rispettare gli impegni di decarbonizzazione presi con l’Europa e con il mondo. Tra le principali è certamente da citare l’adesione a Mission Innovation e in particolare alla Challenge IC#8 “Renewable and Clean Hydrogen”, che, attraverso un’azione di collaborazione e coordinamento a livello internazionale, si pone l’obiettivo di contribuire allo sviluppo di un mercato globale dell’idrogeno mediante il coinvolgimento attivo degli stakeholder pubblici e privati operanti nella catena del valore dell’idrogeno, per il superamento delle barriere tecnologiche, normative e regolatorie. In tale contesto il Mise finanzierà progetti di ricerca e sviluppo che vedono tra l’altro la realizzazione di una Hydrogen Valley presso il centro ricerche Enea Casaccia. L’ecosistema idrogeno realizzato in Casaccia, avrà l’obiettivo generale della dimostrazione, in ambienti integrati e operativi, di soluzioni tecnologiche innovative, favorendo al contempo la costruzione e la crescita di una filiera nazionale. Anche il nuovo processo di produzione di idrogeno verde oggetto del brevetto, attualmente studiato a livello di laboratorio, una volta arrivato alla fase di sviluppo tecnologico, potrà essere integrato nell’ecosistema idrogeno realizzato presso il centro ricerche Casaccia.

Col brevetto Enea sono pochi i materiali da utilizzare, un forte pregio in un’epoca di scarsità delle risorse e come incentivo all’economia circolare. Sono state individuate modalità di approvvigionamento, specie sull’acqua e il metallo raro del tantalio?

Uno dei vantaggi principali di questo processo, come già detto, consiste nell’operare direttamente la conversione dell’acqua in idrogeno e ossigeno, senza passaggi intermedi e quindi riducendo al minimo l’utilizzo di materiali. Per quanto riguarda l’acqua, questo processo è a impatto globale zero, in quanto tutta l’acqua consumata per produrre l’idrogeno e l’ossigeno viene restituita all’ambiente nel momento in cui l’idrogeno verrà utilizzato come combustibile. In pratica, l’idrogeno dell’acqua si comporta come un vettore energetico in grado di veicolare l’energia solare all’interno degli utilizzatori finali (fuel cell, motori, ecc.).

Un importante aspetto riguarda lo sviluppo dei materiali necessari per la realizzazione del reattore a membrana che deve operare a temperature molto alte: dicevamo 1900 °C se vogliamo raggiungere una resa di reazione del 20%. In linea di principio, per la separazione dell’idrogeno a queste temperature i materiali candidati sono i metalli refrattari – tantalio, niobio, molibdeno – e loro leghe, mentre per la separazione dell’ossigeno si possono utilizzare ceramici quali l’ossido di afnio. Il prossimo step per le attività di ricerca riguarderà la messa a punto delle tecnologie necessarie a garantire la stabilità ad alta temperatura dei dispositivi a membrana: si pensi ad esempio alla necessità di disporre di sistemi di giunzione e saldatura di parti metalliche e ceramiche che devono operare in condizioni così estreme. Gli aspetti legati alla disponibilità e, di conseguenza, ai costi di questi materiali sono sempre tenuti in considerazione in tutti gli attuali programmi di ricerca e sviluppo.

In che modo la collaborazione tra centri di ricerca e dipartimenti ha portato al risultato finale?

Il brevetto nasce dalla collaborazione di gruppi di lavoro impegnati su tematiche di ricerca diverse: sono stati messi insieme il know how sviluppato presso il centro ricerche Enea di Frascati, dal Dipartimento Fusione e tecnologie per la Sicurezza Nucleare/Laboratorio Tecnologie Nucleari nel campo dei reattori a membrana per la separazione di idrogeno ed isotopi per il ciclo del combustibile dei reattori nucleari a fusione, con le competenze presenti presso il centro ricerche Enea Casaccia nel campo delle applicazioni dell’idrogeno nel settore energetico ed afferenti al Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili/Laboratorio Accumulo di Energia, Batterie e tecnologie per la produzione e l’uso dell’idrogeno.

Anche i successivi sviluppi, che riguarderanno lo studio di materiali avanzati per alte temperature potranno giovarsi delle competenze del Dipartimento Fusione e tecnologie per la Sicurezza Nucleare sui materiali ad flusso termico studiati come materiali affacciati al plasma, mentre per l’integrazione del processo con la fonte solare si ricorrerà alle competenze nel campo della tecnologia solare a concentrazione del Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili.

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