L’energia dall’idrogeno: fra Usa e Cina
di Giancarlo Elia Valori
Honorable de l’Académie des Sciences de l’Institut de France
Roma, 5 luglio 2021 – L’utilizzo dell’energia dell’idrogeno si riferisce alla trasformazione d’esso in energia elettrica, energia termica, ecc. L’idrogeno è un’energia che si ottiene attraverso il gas naturale, l’elettrolisi dell’acqua, la fotosintesi solare e altre forme. A differenza del carbone, del petrolio e del gas naturale che possono essere estratti unicamente dal suolo. Si attribuisce la scoperta dell’idrogeno al chimico e fisico britannico Henry Cavendish (1731-1810). Ma già nel sec. XVI, il noto Paracelso (1493-1541) affermò che si produce un gas quando la limatura di ferro e l’acido entrano in contatto; nel sec. XVII secolo, il chimico e medico fiammingo Jean Baptiste van Helmont (1579-1644) accidentalmente rimase esposto a tale gas, ma non lo isolò e nemmeno lo raccolse; l’irlandese Robert Boyle (1627-91) invece raccolse questo gas per caso, ma non condusse ricerche. Si sapeva solo che fosse combustibile, e non altro; nel 1700 il farmacista francese Nicolas Lémery (1645-1715) ne fece menzione nel Rapporto all’Accademia delle Scienze di Parigi. Cavendish è stato il primo a raccogliere e studiare l’idrogeno, ma la comprensione dell’idrogeno da parte sua non era corretta: credeva che l’acqua fosse un elemento e l’idrogeno fosse acqua con troppo “flogisto” (denominazione data dai chimici del Settecento a una ipotetica sostanza che si sarebbe liberata dai composti per combustione o per calcinazione, dei quali avrebbe costituito il principio di infiammabilità). Solo nel 1782, Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-94) chiarì che l’acqua non fosse un elemento ma un composto. Nel 1787 chiamò quel gas infiammabile idrogeno, che significa “produttore di acqua”, e confermò che si trattasse di un elemento. Come carburante per motori a combustione interna, l’idrogeno è una recente applicazione. L’uso dell’idrogeno nei motori a combustione interna ha una lunga storia. Il primo motore a combustione interna a idrogeno nella storia umana può essere fatta risalire al 1807, quando il politico e inventore francese, naturalizzato svizzero, François Isaac de Rivaz (1752-1828) realizzò un motore monocilindrico a combustione interna a idrogeno. Tuttavia, a causa della limitazione del livello tecnologico dell’epoca, la produzione e l’uso dell’idrogeno erano molto più complicati rispetto all’utilizzo di risorse quali vapore e benzina. Pertanto, i motori a combustione interna a idrogeno furono sopraffatti dai motori a vapore, diesel, benzina, ecc. Nel periodo della seconda guerra mondiale, l’idrogeno è stato utilizzato per la propulsione del razzo V2. Nel 1960, l’idrogeno liquido è stato usato per la prima volta come carburante per l’energia spaziale. Nel 1970, la sfortunata navicella spaziale Apollo 13 lanciata dagli Usa ha utilizzato l’idrogeno liquido per il suo razzo di decollo. L’idrogeno è diventato un carburante comune nell’industria missilistica. E tutto questo, dal V2 in poi, grazie allo scienziato tedesco Werner von Braun (1912-77). Per le moderne navette spaziali, è più importante ridurre il peso del carburante e aumentare il carico utile. La densità energetica dell’idrogeno è molto alta, ovvero tre volte quella della normale benzina, questo significa che lo space shuttle utilizza l’idrogeno come carburante e il suo peso può essere ridotto di 2/3 rispetto ad un “pieno” di carburante tradizionale, il che è senza dubbio estremamente vantaggioso per i veicoli spaziali. Gli scienziati stanno studiando un veicolo spaziale con “idrogeno solido”. L’idrogeno solido viene utilizzato sia come materiale strutturale, che combustibile energetico del veicolo spaziale. Una varietà di veicoli a celle a combustibile è stata pubblicamente dimostrata alla fine degli anni Ottanta e la possibilità di sostituire le batterie con piccole celle a combustibile alla fine degli anni Novanta. Nel sec. XXI, di fronte all’inquinamento ambientale e ad altre crisi, le celle a combustibile a idrogeno si stanno sviluppando rapidamente e sempre più veicoli a idrogeno iniziano ad entrare nel mercato. L’energia dell’idrogeno è diventata oggetto di intense ricerche in vari Paesi: e la nuova energia sta ostinatamente affrontando l’attuale difficile situazione in cui versa il pianeta. Secondo un’indagine del Dipartimento dell’Energia degli Usa, nei recenti anni, i Paesi industrializzati di tutto il mondo hanno investito nello sviluppo dell’energia a idrogeno, con un aumento annuo del 20,5% degli investimenti. Gli Usa hanno sempre attribuito importanza all’energia dell’idrogeno. Nel 2003, l’amministrazione Bush II ha investito 1,7 miliardi di dollari per lanciare il piano di sviluppo del carburante a idrogeno, e ha presentato progetti di sviluppo chiave come la tecnologia di produzione industriale dell’energia dell’idrogeno, la tecnologia di stoccaggio e l’applicazione diretta di tale energia. Nel febbraio 2004, il Dipartimento dell’Energia degli Usa ha annunciato il “Piano d’azione per la ricerca, lo sviluppo e la dimostrazione delle tecnologie energetiche dell’idrogeno”. Lo sviluppo economico dell’idrogeno negli Usa è passato dalla fase di attuazione sistematica alla fase di valutazione e formulazione delle politiche. La prima stazione di idrogeno è stata istituita negli Usa nel maggio 2004: una stazione di energia domestica di terza generazione, ossia un dispositivo fisso di produzione di idrogeno in California, ha iniziato la propria sperimentazione. Nel luglio 2005, la tedesca Daimler Chrysler (1998-2007), una delle prime aziende produttrici di celle a combustibile a idrogeno nel mondo, ha sviluppato con successo il “veicolo a batteria di quinta generazione” negli Usa, impostando un registratore di dati di viaggio per veicoli a celle a combustibile in auto a motore: un’intera distanza di viaggio pari a 5.245 km, ad una velocità massima di 145 km/h. Invece in Cina, la strategia di sviluppo energetico è focalizzata sullo sviluppo strategico dell’economia nazionale in quanto l’energia fossile della Cina ha dimostrato di avere ancora poche riserve recuperabili: il carbone ammonta a 114,5 miliardi di tonnellate, la quantità di petrolio a 3,8 miliardi di tonnellate, le riserve di gas naturale di 1,37 trilioni di metri cubi, i quali rappresentano rispettivamente 11,6%, 2,6% e 0,9% delle riserve mondiali. La Cina ha una popolazione numerosa e risorse pro capite insufficienti. Le riserve di carbone recuperabili pro capite sono solo la metà della media mondiale e il petrolio è solo circa 1/10. Il consumo energetico pro capite è ovviamente in ritardo, come pure il recupero energetico dei trasporti.
Allo stesso tempo, i gas di scarico delle automobili sono diventati il fattore più importante dell’inquinamento atmosferico, in particolare di quello urbano. In questo modo, la ricerca di nuova energia pulita è di particolare significato per lo sviluppo sostenibile cinese.
Durante i recenti Piani quinquennali, il Ministero della Scienza e della Tecnologia ha incluso la ricerca e lo sviluppo di veicoli a celle a combustibile e delle relative tecnologie nel Piano Nazionale di Scienza e Tecnologia delle Costruzioni. Nel gennaio 2002, l’Accademia cinese delle scienze ha lanciato un importante progetto del piano d’azione strategico per l’innovazione scientifica e tecnologica. Si punta sul motore a celle a combustibile con membrana a scambio protonico ad alta potenza e tecnologia energetica a idrogeno.
L’Istituto di Fisica Chimica e l’Accademia Cinese delle Scienze, si basano principalmente sullo State High-Tech Development Plan (863 Program) – Progetto Maggiore per Veicoli Elettrici – del Ministero della Scienza e della Tecnologia. La ricerca e lo sviluppo di 75KW e i motori a celle a combustibile da 150 KW e l’energia a idrogeno stanno avanzando nel campo della tecnologia con diritti di proprietà intellettuale indipendenti. Tale tecnologia leader a livello mondiale aiuterà la Cina a entrare nell’era dell’energia a idrogeno il prima possibile. Oltre alle auto e agli autobus a celle a combustibile, la Cina ha sviluppato con successo un totale di oltre 2.000 km in operazioni sperimentali. Ciò indica che la Cina ha la capacità di sviluppare motori a celle a combustibile alimentate a idrogeno. Quando si sono svolti i Giochi Olimpici di Pechino del 2008 e l’Expo 2010 mondiale di Shanghai, le prime auto a celle a combustibile sono state sperimentate con successo.
