Le nuove frontiere di produzione dell’idrogeno, e passi in avanti di Italia e Cina
di Giancarlo Elia Valori
Honorable de l’Académie des Sciences de l’Institut de France
Roma, 8 luglio 2021 – Nell’industria tradizionale della produzione di idrogeno, essa deriva da combustibili fossili ed è il metodo più utilizzato: a questo proposito ci sono tecnologie mature e dispositivi industriali. I metodi includono principalmente la produzione di idrogeno mediante ossidazione parziale di olio pesante, con vapore di gas naturale e produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone. Tuttavia, le riserve di gas naturale e carbone sono limitate e il processo di produzione dell’idrogeno inquina l’ambiente. Secondo i requisiti del concetto di sviluppo scientifico, è ovvio che questo metodo non è la scelta migliore nella futura tecnologia di produzione dell’idrogeno. Al contrario, l’elettrolisi dell’acqua ha una lunga storia nell’industria della produzione di idrogeno. La cella elettrolitica comunemente usata adotta generalmente una struttura bipolare filtropressa o una struttura scatolare monostadio. I vantaggi di tale struttura sono rappresentati da un’attrezzatura semplice, di facile manutenzione e basso investimento. Lo svantaggio è che copre una vasta area e la resa spazio-temporale è bassa; la struttura della filtropressa è più complicata e i vantaggi sono la compattezza, il piccolo ingombro e l’elevata resa spazio-temporale. Però essa è difficile da mantenere e richiede un grande investimento. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, è nata una una cella dotata di un elettrolita polimerico solido (Solid Polymer Electrolyte, SPE).
I materiali delle celle SPE sono facili da ottenere, adatti alla produzione in serie e lo stesso numero di anodi e catodi viene utilizzato per la separazione di H2 e O2. La sua efficienza è superiore a quella delle celle di elettrolisi alcalina convenzionali. La portata di fase della cella SPE è l’elettrolisi alcalina convenzionale di 1/10 del serbatoio, e la durata è di circa 300 giorni. Lo svantaggio è che il consumo energetico dell’elettrolisi dell’acqua è ancora molto elevato. L’industria dell’elettrolisi dell’acqua in molti Paesi resta al livello della cella di elettrolisi a struttura bipolare del tipo filtropressa o della cella di elettrolisi del tipo a scatola singola, che è ancora molto indietro rispetto al livello dell’industria e della ricerca più avanzate. La decomposizione termica catalitica del metano per produrre idrogeno è accompagnata da una grande quantità di emissioni di anidride carbonica , ma negli ultimi anni, a causa della decomposizione termica del metano, all’idrogeno si possono evitare emissioni di CO2. La decomposizione di una mole di idrogeno da parte del metano richiede 37,8 KJ di energia ed emette 0,05 moli di CO2 . Il vantaggio principale di questo metodo è che mentre si produce idrogeno di elevata purezza, si produce carbonio solido che è più economico e più facile da produrre, in modo che l’anidride carbonica non venga emessa nell’atmosfera e l’effetto serra sia ridotto. Poiché sostanzialmente non produce CO2 , è considerato un processo di transizione tra combustibili fossili ed energie rinnovabili. Tuttavia, il costo di produzione non è basso: se il carbonio sottoprodotto ha ampie prospettive di mercato, questo metodo diventerà promettente per la produzione di idrogeno. La produzione biologica di idrogeno sta nel fatto che l’idrogeno sia prodotto da microrganismi che utilizzano sostanze contenenti idrogeno (inclusi amido vegetale, cellulosa, zucchero e altra materia organica e acqua) come substrati per produrre gas idrogeno a temperatura e pressione normali.
Finora, gli organismi produttori di idrogeno riportati nella ricerca possono essere suddivisi in due categorie: organismi fotosintetici (batteri fotosintetici anaerobi, cianobatteri e alghe verdi) e organismi non fotosintetici (batteri anaerobi stretti, batteri anaerobi facoltativi e batteri aerobi). Gli organismi fotosintetici, i cianobatteri e le alghe verdi possono utilizzare l’ingegnosa struttura fotosintetica in sé per convertire l’energia solare in energia di idrogeno, quindi la loro ricerca sulla produzione di idrogeno è molto più approfondita rispetto agli organismi non fotosintetici. Entrambi possono fotodividere l’acqua per produrre idrogeno. La foto scissione dell’acqua per produrre idrogeno è un modo ideale per estrarlo. Tuttavia, quando i cianobatteri e le alghe verdi rilasciano idrogeno fotosinteticamente, sono accompagnati dal rilascio di ossigeno. Oltre a una bassa efficienza di produzione di idrogeno, l’inattivazione degli enzimi quando esposti all’ossigeno è un problema chiave che questa tecnologia dovrebbe risolvere. Batteri fotosintetici anaerobici rispetto ai batteri e alle alghe azzurre-verdi, processo anaerobico dell’idrogeno fotosintetico che non genera ossigeno, è piuttosto semplice. In considerazione della complessità e della precisione del processo di desorbimento dell’idrogeno fotosintetico, il contenuto della ricerca è ancora principalmente focalizzato sullo screening o sull’allevamento di ceppi che producono idrogeno ad alta attività, coltivando e controllando le condizioni ambientali per aumentare la produzione di idrogeno. Tutto ciò è ancora a livello sperimentale. Gli organismi non fotosintetici possono degradare la materia organica macromolecolare per produrre idrogeno e farne bioconvertire materiali di energia rinnovabile (cellulosa e suoi prodotti di degradazione, amido, ecc.) per produrre energia da idrogeno. La ricerca mostra i suoi vantaggi rispetto agli organismi fotosintetici. La ricerca su questo tipo di microrganismi come fonte di idrogeno è iniziata negli anni Sessanta. Attorno alla fine degli anni Novanta, lo scienziato cinese Ren Nanqi e altri hanno ricercato e sviluppato la tecnologia di produzione biologica di idrogeno di fermentazione delle acque reflue organiche utilizzando fanghi attivi anaerobici e acque reflue organiche come materie prime. Questa tecnologia supera la limitazione secondo cui la tecnologia di produzione biologica dell’idrogeno deve utilizzare batteri puri e tecnologia fissa e crea un nuovo modo di utilizzare batteri non immobilizzati per produrre idrogeno. I risultati del test pilota mostrano che il reattore di produzione di idrogeno biologico ha la più alta produzione continua di idrogeno. La capacità di raggiungimento di determinate quantità e il costo di produzione è circa la metà del costo di produzione dell’idrogeno del metodo dell’acqua da elettrolisi.
Per quanto riguarda la Cina, nel settembre 2020, il presidente Xi Jinping ha annunciato nel suo discorso nel corso del dibattito alla LXXV sessione dell’Assemblea Generale delle Nazioni Unite che la Cina aumenterà il suo contributo autonomo ai problemi dell’inquinamento e «will strive to peak carbon dioxide emissions before 2030 and achieve carbon neutrality before 2060». Nell’ottobre dello stesso anno, il peak carbon e la carbon neutrality sono state incluse per la prima volta nel XIV Piano quinquennale («Il percorso verso la decarbonizzazione»). Nell’aprile 2021, durante l’incontro video tra Cina, Francia e Germania, il presidente Xi Jinping ha ricordato ancora una volta questa dura battaglia e ha sottolineato che la Cina e l’Europa dovrebbero rafforzare il dialogo sulla politica climatica e la cooperazione nel campo dello sviluppo verde, in modo da rendere importante il cambiamento climatico, pilastro della cooperazione sino-europea. È una tendenza generale per la Cina e l’Europa rafforzare il dialogo sulla politica climatica e cooperazione nel campo dello sviluppo verde, ed è anche nell’interesse comune di entrambe le parti. L’ultima generazione di tecnologia fotovoltaica per la generazione di energia e idrogeno produzione da onde oceaniche (energia verde rinnovabile attraverso energia rinnovabile pulita) proposti da tempo dalla Cina, sono tentativi e iniziative per raggiungere l’obiettivo del picco di carbonio e neutralità carbonica. A questo proposito il Memoriale d’Intesa (25 novembre 2019) fra l’International World Group e il National Ocean Tecnology Center – direttamente amministrato dal Ministero cinese delle Risorse naturali, diretto da Lu Hao – e le proposte di IWG-Gruppo Eldor in merito a tecnologie avanzatissime, oggi disponibili, da sviluppare in partnership per il mercato cinese, rappresentano i primi consistenti progressi raggiunti in tal campo.
Il governo Cinese si è fortemente impegnato nel percorso della transizione energetica low carbon che consente una sensibile riduzione delle emissioni di CO2, riconvertendo la produzione di energia dalla combustione del petrolio dai siti industriali tradizionali ad energia green (pulita) sostenibile da fonti rinnovabili nella via della seta. Il Gruppo Eldor è già operante nel territorio cinese nel settore dell’automotive ovvero nella produzione di motori e componenti per motori elettrici (ELDOR Automotive Powertrain) nella sede di Dalian (provincia di Liaoning): centro produttivo per il mercato asiatico di sistemi di accensione di eccellenza manifatturiera. Si tratta di progetti in avanzato stato di sviluppo con impianti “pilota” già operativi in Italia, realizzabili in Cina e in ogni parte del pianeta, con il supporto d’investitori locali.
