Idrogeno in edilizia, chimera o nuova frontiera energetica?

09/06/2023 - L’idrogeno (H2) è una fonte di energia con immense potenzialità, soprattutto nel settore dell’edilizia nel quale potrebbe diventare cruciale per la decarbonizzazione attraverso la sostituzione dei combustibili fossili con fonti rinnovabili.
 
20 anni fa tutto sembrava andare a gonfie vele per l’idrogeno ma, poco dopo, tutti i progetti furono abbandonati o comunque non sortirono i risultati previsti.
 
Oggi, dal Green Deal europeo, al Recovery and Resilience Facility (RRF), al recente REPowerEU, l’idrogeno è presente come attore chiave per l’attuazione di piani di decarbonizzazione e indipendenza energetica per l’Unione Europea. La maggior parte dell’utilizzo interesserà il settore dei trasporti pesanti, il riscaldamento residenziale e alcuni processi industriali come la raffinazione e le lavorazioni che richiedono elevate temperature, dove attualmente si utilizza l’idrogeno grigio, ricavato dal gas naturale. 
 
Anche il PNRR italiano ha deciso di puntare sull’idrogeno rinnovabile: sono previsti, infatti, investimenti per 2 miliardi di euro per applicazioni idrogeno rinnovabile nei settori “hard to abate”, ovvero, le industrie che risultano oggi più inquinanti e difficili da riconvertire.
 
Ben 500 milioni di euro sono stati destinati, con investimenti fino al 2026, alla costruzione di Hydrogen Valleys, ovvero aree industriali con economia in parte basata sull’idrogeno sostenibile, progettate per favorirne la produzione e l’uso, a livello locale, nell’industria e nei trasporti e, per trasferimento tecnologico, nel settore civile.
 
Sarà la volta buona per l’idrogeno di massa? Vediamo quali sono le potenzialità, le criticità e le applicazioni possibili, soprattutto nel mondo dell’edilizia.
 

Idrogeno, diversi modi per ottenerlo

L’idrogeno ha una peculiarità pressoché unica: può essere prodotto a partire da qualsiasi fonte energetica primaria, dai combustibili fossili (metano), fino alle fonti rinnovabili, all’idroelettrico e alle biomasse. La produzione può avvenire per:
 
- reforming da metano, la produzione su vasta scala dell’idrogeno avviene solitamente mediante il processo di reforming del gas naturale (o ‘steam reforming’).Tale processo consiste nel far reagire metano (CH₄) e vapore acqueo (H₂O) ad una temperatura intorno a 700-1100 °C, per produrre syngas (una miscela costituita essenzialmente da monossido di carbonio e idrogeno), il calore richiesto per attivare la reazione è generalmente fornito bruciando parte del metano;
 
- elettrolisi dall’acqua che è un processo nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell’acqua in ossigeno e idrogeno gassoso. Con l’elettrolisi non sono necessari prodotti fossili, potendo così produrre l’idrogeno con energia elettrica da qualsiasi fonte. In alcuni Paesi, come in Germania, l’idrogeno è impiegato per assorbire i picchi di produzione tipici delle fonti rinnovabili, in particolare, nel caso della Germania, la produzione dell’idrogeno si attiva mediante al surplus energetico prodotto dai parchi eolici;
 
- foto conversione, grazie alla ricerca nel campo della chimica e delle nanoscienze, ci si muove verso un approccio più verde ispirato alla fotosintesi, ovvero si potrà usare la luce solare per scindere la molecola dell’acqua e ottenere idrogeno, la cui combustione produrrà ancora acqua alimentando così un circolo virtuoso.
 
Questi ultimi due processi sono, evidentemente, quelli su cui si stanno basando le ricerche per l’applicazione in edilizia. Un esempio tipico sono le Celle a Combustibile o Fuel Cells (efficienza fino al 60%) che sono dispositivi elettrochimici che, oggi alimentati a metano ma pronti a vettori rinnovabili, generano energia elettrica in corrente continua il combustibile per eccellenza è l’idrogeno che reagisce con l’ossigeno dell’aria, ma la diffusione di questa tecnologia sarà possibile se i costi scenderanno.
 

Stoccaggio e trasporto dell’idrogeno

Il vero limite tecnologico per l’applicazione di massa dell’idrogeno è il suo stoccaggio che non risulta un processo a basso costo, infatti può essere conservato e trasportato come:
 
- gas ad alta pressione (2,15 kWh/kg), in questi casi lo stoccaggio richiede l’uso di serbatoi ad alta pressione (350-700 bar) o l’uso di bombole (250 bar) o il trasporto in pressione attraverso nuovi idrogenodotti o gasdotti già esistenti, come nel caso di Snam che a Contursi Terme (SA) ha fatto viaggiare l’idrogeno tra il 5 e il 10% insieme al metano per rifornire un pastificio e un’azienda di imbottigliamento;
 
- liquido a bassa temperatura e a pressione atmosferica (6 kWh/kg) e lo stoccaggio dell’idrogeno liquido richiede temperature criogeniche per evitare che ribollisca in un gas (che si verifica a -252,8 ° C), ma occorre fare attenzione, perché l’idrogeno liquido ha una densità di energia maggiore dell’idrogeno gassoso, in questi casi portarlo alle temperature richieste può essere molto costoso;
 
- sotto forma di sostanze chimiche dove l’idrogeno è legato in modo stabile, ma reversibile. In questo caso l’idrogeno può essere immagazzinato utilizzando tre tipi di materiali: quelli che utilizzano l’adsorbimento per immagazzinare l’idrogeno sulla superficie del materiale, quelli che usano l’assorbimento per immagazzinare l’idrogeno all’interno del materiale, oppure stoccaggio di idruri, che utilizza una combinazione di materiali solidi e liquidi. Un esempio sono le nanostrutture di carbonio (14 kWh/kg).
 
Una delle proprietà chimiche più importanti dell’idrogeno - che è anche uno dei suoi maggiori difetti per l’applicazione in ambito civile - è l’infiammabilità; infatti, reagisce con tutti gli agenti ossidanti: ossigeno, cloro, protossido d’azoto, ecc. e in tutti i casi le reazioni sono accompagnate da un elevato sviluppo di calore. Questo è uno dei fattori da tenere maggiormente presente per l’installazione di impianti a idrogeno in edilizia, considerando che non ci sono indicazioni specifiche dei Vigili del Fuoco per questo tipo di applicazioni.
 

Idrogeno in edilizia, le recenti sperimentazioni

Sporadiche, ma in aumento, le sperimentazioni nel settore dell’edilizia: in Italia nel 2019 è stata brevettata una caldaia che usa per il 20% idrogeno, oggi in fase di commercializzazione come soluzione tecnologica “ready for H2”.
 
Nel 2022 nella città di Lochem, in Olanda, all’interno di dodici case unifamiliari è stata installata una caldaia che funziona con il 100% di idrogeno immesso nella rete di gas naturale esistente: forma e dimensioni sono praticamente le stesse di una caldaia a metano, garantisce la stessa efficienza di una caldaia a condensazione, ma può fornire riscaldamento e acqua calda senza emissioni di ossidi di carbonio. L’idrogeno è stato immesso in rete in una zona industriale adiacente dove probabilmente è stato prodotto usando una serie di elettrolizzatori alimentati da pannelli solari.
 
Nel Regno Unito l’obiettivo sarà riuscire a montare 400 caldaie alimentate a idrogeno entro il 2025.
 
Degno di nota, il progetto PHOCS (Photogenerated Hydrogen by Organic Catalytic Systems), finanziato dall’UE. I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo organico che sfrutta la luce solare per separare l’acqua in idrogeno e ossigeno, combinando le caratteristiche fotoassorbenti dei semiconduttori organici con le capacità di trasporto della carica dei semiconduttori inorganici. È stato depositato uno strato di ossido di titanio nanometrico sui materiali fotosensibili che agisce come una barriera tra l’acqua e i semiconduttori organici (che si corroderebbero a contatto con l’acqua).
 
Una delle principali sfide del progetto è stata quella di dimostrare che i materiali organici possono essere usati per la generazione fotoelettrochimica di idrogeno, perché offrono un’elevata efficienza a un costo inferiore rispetto a quelli inorganici. Le interfacce ibride organico/inorganico, realizzate con tecniche economiche e facilmente allargabili, possono promuovere in modo efficace la produzione di idrogeno usando la luce visibile, l’acqua salata e i catalizzatori non preziosi, contribuendo a tracciare una strada per l’uso massivo della tecnologia e aiutando la transizione dall’attuale modello energetico basato sui combustibili fossili a un modello più sostenibile.
 

Idrogeno in edilizia​, come superare le criticità?

L’associazione italiana idrogeno e celle a combustibile (H2IT), nel documento “Installazione di celle a combustibile in ambito residenziale e commerciale”*, spiega i vantaggi dell’idrogeno e fa delle proposte per superare le criticità normative e tecnologiche. Tra i suggerimenti, c’è quello di inserire i sistemi a celle a combustibile fra le tecnologie ammesse per gli edifici di nuova costruzione e i progetti di ristrutturazioni rilevanti e fra quelle ammesse al meccanismo delle comunità energetiche.
 
L’EHI - European Heating Industry, associazione di riferimento dell’industria europea del riscaldamento ha fatto emergere come l’idrogeno in edilizia può essere fondamentale per la decarbonizzazione dell’UE, dove l’edilizia è un settore energivoro che ha necessità di essere rigenerato. Per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione è necessario sostituire progressivamente i combustibili fossili con rinnovabili per il riscaldamento, promuovendo la riqualificazione energetica, ovvero puntando su soluzioni di isolamento termico e su apparecchi di riscaldamento di elevata classe energetica.
 
In prospettiva sarà l’idrogeno verde uno dei “facilitatori” della transizione energetica e il suo utilizzo in uno scenario di autoproduzione da impianti rinnovabili rappresenta un valido strumento nel medio-lungo periodo per stoccare energia e rendere il sistema resiliente e sostenibile tra il 2030 e il 2050.
 
Sicuramente, una delle principali sfide da vincere per avviare l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico, consiste nella capacità di progettisti e costruttori di trovare sistemi pratici per immagazzinare e distribuire l’idrogeno, oltre ai materiali idonei a supportarne lo stoccaggio su larga scala, che siano conformi a tutti i principi di protezione dalle esplosioni.
 
Ma la strada, stavolta, sembra essere avviata da più fronti convergenti verso un uso dell’idrogeno come valida alternativa ai combustibili fossili, purchè si cominci a lavorare già oggi perché ne diventi un’opzione complementare.


* Installazione di celle a combustibile in ambito residenziale e commerciale - Associazione italiana idrogeno e celle a combustibile (H2IT) - Settembre 2022