Idrogeno: produzione e stoccaggio

L’idrogeno è il combustibile delle celle a combustibile, ma in natura non esiste libero: va prodotto, e il modo in cui lo si produce ne determina costo e impatto ambientale. A questo si aggiunge il problema dello stoccaggio: l’idrogeno è il gas più leggero che esista, e immagazzinarne abbastanza in poco spazio è una sfida tecnica centrale per la sua diffusione.

Vediamo come si produce l’idrogeno (elettrolisi e reforming), che cosa significano i suoi «colori», quanta energia serve a scinderlo dall’acqua e come lo si stocca.

Due grandi vie di produzione

L’idrogeno si ottiene oggi principalmente in due modi. La via dominante è il reforming di idrocarburi, soprattutto il reforming a vapore del metano, che scinde il gas naturale in idrogeno e anidride carbonica: è economico ma emette CO₂. La via alternativa, elettrochimica, è l’elettrolisi dell’acqua: facendo passare corrente fra due elettrodi immersi in acqua, la si scinde nei suoi elementi, ottenendo idrogeno al catodo e ossigeno all’anodo. L’elettrolisi non emette CO₂ nel processo, ma consuma molta elettricità, e il suo impatto dipende da come è stata prodotta quella corrente.

Quanta energia serve a scindere l’acqua

L’elettrolisi è l’inverso esatto della cella a combustibile a idrogeno. La tensione teorica minima per scindere l’acqua è la stessa che la cella restituisce producendo: circa 1,23 V in condizioni standard. Nella pratica, però, servono tensioni più alte, tipicamente fra 1,7 e 1,9 V, perché entrano in gioco i sovrapotenziali agli elettrodi e le perdite ohmiche. La differenza fra 1,23 V e la tensione reale rappresenta l’energia «sprecata» in calore, e ridurla è uno degli obiettivi dello sviluppo degli elettrolizzatori.

V_pratica ≈ 1,7–1,9 V  >  V_teorica = 1,23 V  (differenza = perdite)

Tra le tecnologie di elettrolisi, quelle a membrana polimerica (PEM) — le stesse membrane a scambio protonico delle celle PEM, ma usate al contrario — lavorano a densità di corrente elevate e si adattano bene alla potenza variabile delle fonti rinnovabili. Altre tecnologie usano elettroliti alcalini liquidi, più maturi ed economici ma meno flessibili.

I colori dell’idrogeno

Per indicare con immediatezza come è stato prodotto un idrogeno, e quindi quanto è pulito, si usa una convenzione cromatica. I «colori» non si riferiscono al gas in sé — l’idrogeno è sempre incolore — ma alla sua filiera produttiva.

Il problema dello stoccaggio

L’idrogeno è il gas più leggero e meno denso che esista, e questo rende difficile immagazzinarne quantità utili. Le strade principali sono tre. La compressione ad altissima pressione (centinaia di bar) è la più diffusa, ad esempio nei serbatoi dei veicoli, ma richiede bombole robuste e pesanti. La liquefazione raffredda l’idrogeno fino a temperature criogeniche estreme per ridurne il volume, ma consuma molta energia e comporta perdite per evaporazione. Una terza via, ancora in sviluppo, è lo stoccaggio in materiali solidi (idruri metallici e materiali porosi) che assorbono e rilasciano idrogeno, offrendo maggiore sicurezza ma capacità ancora limitate.

Perché conta nella pratica

Per chi guarda all’idrogeno come vettore energetico, il punto critico non è la cella a combustibile in sé, ma a monte e a valle: come si produce l’idrogeno e come lo si conserva. Un idrogeno «grigio» annulla i vantaggi ambientali della cella; un idrogeno «verde» li mantiene ma a un costo oggi più alto. E senza uno stoccaggio efficiente e sicuro — compresso, liquido o in idruri — l’idrogeno fatica a competere con i combustibili tradizionali in termini di densità energetica per unità di volume. Capire questi vincoli è essenziale per valutare con realismo qualsiasi progetto basato sull’idrogeno.

Domande frequenti

Come si produce l’idrogeno?

Principalmente in due modi: il reforming di idrocarburi, soprattutto reforming a vapore del metano, che è economico ma emette CO₂; e l’elettrolisi dell’acqua, che la scinde con la corrente in idrogeno e ossigeno senza emettere CO₂ nel processo, ma consumando molta elettricità. L’impatto dell’elettrolisi dipende da come è stata prodotta quella elettricità.

Quanta tensione serve per l’elettrolisi dell’acqua?

La tensione teorica minima è circa 1,23 V, la stessa che una cella a combustibile a idrogeno restituisce. In pratica servono tensioni più alte, tipicamente fra 1,7 e 1,9 V, per via dei sovrapotenziali agli elettrodi e delle perdite ohmiche. La differenza rispetto a 1,23 V è energia dissipata in calore.

Che cosa significano i colori dell’idrogeno?

Indicano come è stato prodotto, non il colore del gas, che è sempre incolore. Grigio è da reforming con emissione di CO₂; blu è da reforming con cattura della CO₂; verde è da elettrolisi con energia rinnovabile, quasi senza emissioni. Esistono altre sfumature per l’elettrolisi alimentata da rete o da nucleare.

Perché lo stoccaggio dell’idrogeno è difficile?

Perché l’idrogeno è il gas più leggero e meno denso: per immagazzinarne quantità utili occorre comprimerlo a centinaia di bar in bombole pesanti, liquefarlo a temperature criogeniche con grande spesa di energia, oppure intrappolarlo in idruri metallici, più sicuri ma con capacità ancora limitate. La bassa densità energetica per unità di volume è la sfida centrale.

Perché l’idrogeno verde non è ancora diffuso?

Perché l’elettrolisi con energia rinnovabile costa più del reforming di idrocarburi: la sua competitività dipende dal prezzo dell’elettricità pulita e dal rendimento degli elettrolizzatori. Oggi la gran parte dell’idrogeno è ancora «grigio», e il costo dell’idrogeno pulito è il vero collo di bottiglia dell’economia dell’idrogeno.