Un'economia dell'idrogeno (o, per meglio dire, uneconomia basata sull'idrogeno) è un tipo di sistema economico ipotizzato per il futuro in cui varie forme di energia vengono immagazzinate sotto forma di idrogeno (H2, gassoso, liquido o in composti come gli idruri metallici) da utilizzare sia in applicazioni in movimento che per fornire ulteriore energia alla rete elettrica nazionale e mondiale nei momenti di eccessivo carico elettrico.
In particolare, verso la fine del XX secolo si è rapidamente sviluppato il progetto di un'automobile a idrogeno, che usa l'idrogeno come combustibile in particolari celle o pile, che generano tensione elettrica capace di muovere un qualsiasi motore elettrico, senza però rimpiazzare del tutto benzina e gasolio: infatti l'idrogeno non si trova in forma purificata in natura e per questo motivo, non è una fonte di energia in quanto va prodotto. Esempi di autostrade ad idrogeno sono in progetto in Europa (Autostrada A22) e in USA (California Hydrogen Net). Una siffatta economia necessita di una nuova infrastruttura di produzione, stoccaggio e trasporto del nuovo combustibile che allo stadio base in natura non si presenta allo stato liquido come i combustibili fossili, ma allo stato gassoso necessitando del superamento di diversi problemi energetici e tecnologici associati.
Introduzione Secondo il DOE, la produzione di idrogeno ammonta a 9 milioni di tonnellate all'anno, per il 95% prodotti tramite il reforming di metano con vapor d'acqua (efficienza energetica dell'80%, ma si producono 9 kg di CO2 per ogni kg di H2 ottenuto)HYDROGEN-ENERGY : Zeolite Membrane Reactor for Water-Gas-Shift Reaction for Hydrogen Production .
Il tasso di crescita stimato per la produzione d'idrogeno è del 10% annuo. Dal momento che lo stoccaggio dell'idrogeno e il suo trasporto sono molto onerosi, la maggior parte di esso viene di norma prodotta e utilizzata localmente (immediatamente) per il consumo interno, dalle stesse industrie che lo producono, in genere raffinerie di petrolio, oppure fabbriche appartenenti all'industria pesante.
Correntemente, la produzione dell'idrogeno avviene per il 48% da gas naturale, per il 30% dal petrolio (sottoprodotto della distillazione e reforming del gasolio), per il 18% dal carbone; l'elettrolisi dell'acqua viene impiegata per produrre soltanto il 4% dell'H2. Esistono progetti finanziati dal DOE che studiano la possibilità di separare l'idrogeno dall'ossigeno alle medie temperature (350 °C), in soluzioni di H2S, impiegando concentratori solari.
Nel 2005, il Dipartimento per l'Energia degli Stati Uniti ha fissato un obiettivo di costo per il 2015 pari a 2-3,00 $/Kg di idrogeno (dollari del 2005, non tassati), equivalenti a 2-3,00 $/gallone di benzina.DOE annuncia un nuovo obiettivo di costo per l'idrogeno (14 luglio 2005) .
La produzione tramite elettrolisi, ha efficienze che variano dal 50 al 70% (a seconda della densità di potenza, temperatura e dei catalizzatori impiegati). Questa procedura si ritiene conveniente laddove si abbia un eccesso di potenza elettrica non immagazzinabile (ad esempio, innalzandola tramite condotte forzate da un bacino idrico inferiore a uno superiore), oppure dove non sia fattibile trasportare la corrente elettrica prodotta con linee elettriche. Nel caso si impieghino metodi di generazione che non producono anidride carbonica (eolicoNREL: Ricerche sull'idrogeno e le fuel cells - progetto "Wind-to-Hydrogen" ., solare fotovoltaicoLaboratori pericolosi: l'idrogeno dall'energia fotovoltaica ., nucleareInternational Journal of Nuclear Hydrogen Production and Applications (IJNHPA), volume 1 - articolo 3 - 2008 .), la bassa resa dell'elettrolisi risulta accettabile in una logica di riduzione delle emissioni globali di CO2The National Hydrogen Association - Fact Sheets .
Sono in corso di ricerca e sviluppo nuovi metodi per la produzione di idrogeno: alcuni sono basati sulla coltivazione e produzione diretta da parte di microscopiche alghe azzurre modificate geneticamenteProduzione dell'idrogeno dalle alghe per via fermentativa e fotochimica - The Journal of General Physiology, vol 26, 219-240, Copyright 1942 (The Rockefeller University Press) .MIT's Technology Review: L'idrogeno dalle alghe - alghe geneticamente modificate sono produttori efficienti di idrogeno e biocarburanti (2007).Le alghe mutanti come fabbrica di idrogeno ., altre sull'azione di enzimi su substrati come la spazzatura urbana o la stessa acqua semplicemente esposta alla luce solare concentrata con specchi (ad alte temperature e con catalizzatori).NREL: Ricerche sull'idrogeno e le fuel cells - Produzione e trasporto dell'idrogeno .
Essendo in crescita sia la popolazione mondiale che l'agricoltura intensiva che l'alimenta, la domanda per un impiego massiccio dell'ammoniaca è crescente. Lhydrocracking rappresenta un'area di ancora maggiore crescita, dal momento che il corrente aumento dei prezzi del petrolio incoraggia le compagnie petrolifere ad estrarre petrolio da sorgenti prime più povere (con idrocarburi più pesanti, ricchi in cere, bitume, olefine, nafta, e più sporche in zolfo), come le sabbie della "fascia bituminosa" dell'Orinoco in Venezuela, oppure gli scisti bituminosi del Canada.
Necessità dello sviluppo dell'economia ad idrogeno
L'elettricità ha rivoluzionato la qualità della vita umana sin dal tardo XIX secolo consentendo un più facile utilizzo delle fonti energetiche disponibili. Invenzioni come la dinamo e l'illuminazione elettrica iniziarono a crescere dopo l'invenzione della corrente continua. Successivamente l'alternatore e la corrente alternata permisero la trasmissione di energia elettrica su grandi distanze a grande scala.
Correntemente, il bilanciamento del carico sulla rete energetica viene compensato variando la potenza prodotta dai generatori. Nonostante tutto, l'elettricità è difficile da accumulare efficientemente per usi futuri.
Il sistema più ampiamente utilizzato (il più efficiente sotto il profilo dei costi) per l'immagazzinamento di grandi quantità di energia di rete è lo stoccaggio a acqua pompata, che consiste nel pompare acqua in una riserva o un lago chiusi da una diga (oppure con tubi in salita ed in discesa) e nel generare energia idroelettrica per soddisfare il picco. Questi sistemi non possono essere resi portatili o poco ingombranti. Un'altra alternativa di minore ingombro come il condensatore ha una densità energetica troppo bassa. Gli accumulatori hanno una densità energetica bassa ed inoltre sono lenti nelle fasi di scarica e ricarica. L'accumulo energetico in volani, a parità di dimensioni, può risultare più efficiente rispetto alle batterie, ma comporta problemi di sicurezza per via della possibilità di rottura esplosiva.
Contemporaneamente alla diffusione dell'elettricità, si sviluppava un'altra fonte di energia portatile: idrocarburi derivati dal petrolio, che fornivano energia chimica ai motori a combustione interna, trasformandola in energia meccanica per molti tipi di veicoli come automobili, navi ed aerei. I motori a combustione interna, grazie alla maggiore autonomia, leggerezza, potenza e relativa efficienza del motore e all'alta densità energetica degli idrocarburi, si imposero sui vecchi tipi di locomozione, come la vecchia locomotiva a vapore, l'aria compressa, e le prime auto elettriche a batterie. L'alto rapporto potenza-peso di questi motori ne faceva l'unico metodo impiegabile nel primo aeroplano.
La probabile fine nel XXI secolo delle fonti più economiche di idrocarburi e l'effetto serra dovuto alle emissioni di diossido di carbonio (CO2) hanno dato luogo alla ricerca di alternative agli idrocarburi fossili che non diano luogo a questi problemi.
Alcuni pensano che le celle a combustibile, utilizzanti idrogeno come carburante, siano dal punto di vista della convenienza globale l'equivalente futuro del motore a combustione interna del XX secolo o del motore a vapore nel XIX secolo.
L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Possiede anche un'eccellente densità energeticaDensità energetica dell'idrogeno , tratto da The Physics Factbook , più efficiente rispetto a quella del metano o dei tipici carburanti per il motore a combustione interna in rapporto al peso, cosa che ne consiglia l'impiego in razzi come lo space shuttle.
In teoria l'unica emissione delle celle a idrogeno è acqua pura. Inoltre le celle a idrogeno sono più efficienti rispetto al motore diesel. In effetti, il motore a combustione interna ha un'efficienza del 20-35%, mentre la pila a combustibile ha un'efficienza elettrica che va dal 40 al 49%, ed in modalità di cogenerazione (elettricità e calore) gli impianti di celle a combustibile forse raggiungeranno un'efficienza energetica pari all'80-85%.
Altre tecnologie innovative, in concorrenza con le pile a combustibile ad idrogeno, dimostrano un'efficienza elettrica vicina al 30-35%.
Fonti centralizzate di idrogeno progettate Grossi generatori d'idrogeno ad alta efficienza combinati con un sistema di distribuzione (come le condotte del gas naturale ma in grado di affrontare le ulteriori sfide poste dal trasporto dell'idrogeno) e le pile a combustibile che funzionano con idrogeno possono essere in grado di sostituire gli odierni sistemi di distribuzione elettrica e di generazione, in aggiunta ai veicoli a carburanti fossili. Sistemi simili sono normalmente utilizzati nell'ambito del gas naturale per produrre elettricità, come lo sviluppo suburbano di grossi quartieri dotati di sistemi di cogenerazione. La fonte energetica sfruttabile per la produzione dell'idrogeno potrebbe essere nucleare; gli aerogeneratori, l'energia idroelettrica; e finalmente i combustibili fossili (poco convenienti sotto il punto di vista della prevenzione dell'effetto serra). Ad esempio grossi generatori che producano idrogeno dal carbone genererebbero grandi quantità di inquinanti, ma renderebbero centralizzate le emissioni, dunque i sistemi di controllo delle emissioni (come la reiniezione della CO2 prodotta nei pozzi di petrolio o il recupero per formare e/o pietra calcarea) sarebbero più facili da ispezionare e forse sarebbero meglio mantenuti rispetti ai sistemi montati sulle automobili (basati sulla marmitta catalitica al platino) gestiti da singoli individui. Comunque vi sono alcuni "punti cruciali" tecnologici che ostacolano lo sviluppo dell'economia ad idrogeno, che riguardano: il problema del ciclo di produzione e utilizzazione dell'idrogeno noto anche come problema della convenienza termodinamica il problema dell'immagazzinamento o stoccaggio il problema del trasporto
Produzione di idrogeno
L'idrogeno puro non è disponibile nel nostro pianeta. La maggior parte dell'idrogeno "conveniente" può essere estratto da altre sostanze con procedure chimiche ed elettrolitiche, oppure può essere prodotto da altri combustibili utilizzando sostanze ad elevato contenuto energetico, come i combustibili fossili (reforming del metano e carbone), ma questi metodi, oltre ad esaurire risorse non rinnovabili, generano CO2 in quantità maggiori rispetto ai motori convenzionali, aggravando l'effetto serra rispetto al loro utilizzo diretto negli autoveicoli. Inoltre i processi di produzione sono caratterizzati da un rendimento non ottimale dal punto di vista termodinamico, o al più ancora da valutare attentamente, in molti casi attorno al 20%, per via dell'irreversibilità dei processi fisico-chimici di trasformazione dell'energia.
L'idrogeno può essere prodotto anche con l'elettrolisi dell'acqua utilizzando grandi quantità di energia elettrica.
Tale tecnologia, sebbene concettualmente molto semplice, viene applicata solo per utilizzi estremamente settoriali.
Produzione in Italia: Mantova