Come si produce l'idrogeno verde

Spaccare l'acqua con l'elettricità

Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica

L'idrogeno non si estrae. Non esistono miniere di idrogeno, perché sulla Terra l'idrogeno è sempre attaccato a qualcos'altro, di solito all'ossigeno, sotto forma di acqua. Quindi se vuoi idrogeno devi riprendertelo, e questo costa energia. L'idrogeno non è un combustibile che si trova: è un modo di trasportare energia che avevi già.

Il modo più pulito di farlo è splendidamente semplice. Metti due piastre metalliche nell'acqua, collega una batteria e l'acqua si separa: bolle di idrogeno da una piastra e bolle di ossigeno dall'altra. E qui viene il bello: ottieni esattamente il doppio di idrogeno rispetto all'ossigeno, perché l'acqua è H₂O e ogni molecola ha due idrogeni per un ossigeno. Puoi guardare la formula che accade in tempo reale, nella dimensione delle due colonne di gas.

Brucia quell'idrogeno più tardi, o mandalo in una cella a combustibile, e l'unica cosa che esce è di nuovo acqua. Nient'altro. Per questo l'idea è così attraente, e per questo la parola verde pesa così tanto: l'idrogeno è pulito solo se era pulita l'elettricità che ha spaccato l'acqua. Oggi circa il 95% dell'idrogeno mondiale si fa invece dal gas naturale, e quel processo libera all'incirca dieci chilogrammi di anidride carbonica per ogni chilogrammo di idrogeno.

La fregatura è che ogni passaggio ti costa. Parti da 100 unità di elettricità e ne ottieni circa 70 immagazzinate come idrogeno. Comprimilo in un serbatoio e ne perdi altre. Riportalo a elettricità in una cella a combustibile e sei sceso attorno a 35. Una batteria te ne avrebbe restituite 90. L'idrogeno quindi non è la risposta a tutto: è la risposta alle cose che un cavo e una batteria davvero non sanno fare - fare acciaio e fertilizzanti, alimentare navi e aerei, e immagazzinare energia per un mese senza vento invece che per una notte.

Volt, sovratensione e il prezzo di un chilogrammo

Livello Studente — le equazioni principali

Spaccare l'acqua costa una quantità fissa di energia: \(\Delta H = 286\ \text{kJ/mol}\) per acqua liquida, di cui \(\Delta G = 237\ \text{kJ/mol}\) deve arrivare come lavoro elettrico mentre il resto, \(T\Delta S\), può arrivare come calore. Dividi l'energia libera per \(nF\) e ottieni la tensione reversibile di cella, \(E_{\text{rev}} = 1{,}23\ \text{V}\). Dividi invece l'entalpia e ottieni la tensione termoneutra, 1,48 V: il punto in cui la cella non ha bisogno di calore da fuori e non ne produce.

È questo secondo numero che conta, perché trasforma il rendimento in qualcosa che si legge su un voltmetro: \(\eta = 1{,}48/V_{\text{cella}}\). Fai lavorare una cella a 1,8 V e sei all'82%: ogni volt sopra 1,48 è calore, non idrogeno. I sistemi reali perdono un altro 5-10% fra pompe, essiccazione ed elettronica di potenza, e si assestano fra il 65 e il 75%.

Perché allora non far lavorare tutte le celle a 1,5 V? Perché è proprio la tensione in più a spingere la corrente. La curva di polarizzazione \(V(j) = E_{\text{rev}} + \eta_{\text{att}} + jR\) sale con la densità di corrente: sovratensione di attivazione, dominata dalla lentissima reazione di sviluppo di ossigeno, più la perdita ohmica nella membrana. Spingi di più e fai più idrogeno dallo stesso stack costoso, ma ogni chilogrammo costa più elettricità. L'ottimo economico è un compromesso fra costo di capitale per kilowatt e costo dell'elettricità per chilogrammo, e l'elettricità a buon mercato spinge sempre a spingere di più.

La produzione in sé è pura legge di Faraday: \(\dot n_{H_2} = I/2F\), due elettroni per molecola, senza eccezioni e senza termini di rendimento: gli elettroni che arrivano fanno idrogeno. Varia solo la tensione che hai pagato per muoverli. In unità pratiche, un sistema al 70% consuma circa 56 kWh per chilogrammo, quindi a 50 €/MWh la sola elettricità costa 2,8 € al chilo: ecco perché tutto il settore è una scommessa su elettricità a buon mercato e molte ore di funzionamento, più che su chimica ingegnosa.

Sovratensioni, l'ottimo di densità di corrente e dove l'idrogeno vince davvero

Livello Esperto — profondità matematica completa

01Due tensioni, e l'aritmetica delle dichiarazioni di rendimento

La scissione dell'acqua ha due tensioni caratteristiche, e confonderle è il modo in cui la maggior parte dei numeri divulgativi sbaglia. \(E_{\text{rev}} = \Delta G/nF = 1{,}229\ \text{V}\) in condizioni standard è il lavoro elettrico minimo; il resto, \(T\Delta S = 48{,}6\ \text{kJ/mol}\), può arrivare come calore, ed è per questo che una cella fatta lavorare fra 1,23 e 1,48 V raffredda l'ambiente. \(V_{tn} = \Delta H/nF = 1{,}481\ \text{V}\) è il punto termoneutro. Un rendimento riferito all'HHV usa 1,48; riferito all'LHV usa 1,25; un fornitore può citare l'uno o l'altro, quindi uno stack che è all'82% su una base è al 69% sull'altra senza alcun cambiamento fisico. Le celle ad alta temperatura a ossido solido sfruttano onestamente la stessa termodinamica: alzare \(T\) sposta più \(\Delta H\) nel termine entropico, quindi con una fonte di calore gratuita possono superare il 90% sulla sola elettricità.

02Perché il problema è il lato ossigeno

Entrambi gli elettrodi obbediscono alla cinetica di Butler-Volmer, con la forma di Tafel \(\eta_{\text{att}} = a + b\log j\) a sovratensione apprezzabile. La reazione di sviluppo di idrogeno sul platino ha una densità di corrente di scambio vicino a \(10^{-3}\ \text{A/cm}^2\) ed è quasi reversibile; quella di sviluppo di ossigeno coinvolge quattro elettroni, richiede la formazione del legame O-O e ha densità di corrente di scambio di ordini di grandezza inferiori, quindi contribuisce quasi tutta la perdita di attivazione. Da questo solo fatto discende il problema dei materiali: gli elettrolizzatori PEM richiedono anodi a ossido di iridio, e la produzione mondiale di iridio si misura in poche tonnellate all'anno. Le celle alcaline evitano l'iridio al prezzo di densità di corrente più basse e peggiore risposta dinamica; quelle a ossido solido evitano entrambi i problemi ed ereditano un problema di degrado dei materiali.

03L'ottimo di densità di corrente

Il costo livellato dell'idrogeno si divide in un termine di capitale che cala con la densità di corrente e uno di energia che sale con essa: \(\text{LCOH} \approx \frac{C_{\text{cap}}\,\mathrm{CRF}}{8760\,\mathrm{CF}\,\dot m(j)} + p_e\,\text{SEC}(j)\). Poiché \(\dot m \propto j\) e \(\text{SEC} \propto V(j)\), l'ottimo sta dove la penalità marginale di elettricità eguaglia il risparmio marginale di capitale. Elettricità a buon mercato o un fattore di utilizzo basso spostano l'ottimo verso \(j\) alte; elettricità cara e stack economici lo riportano in basso. Ed è anche per questo che il fattore di utilizzo dell'elettrolizzatore è il cardine di ogni progetto: uno stack che gira 2000 ore all'anno su surplus rinnovabile ha un carico di capitale per chilogrammo quattro volte quello di uno che ne gira 8000, ed è la tensione al cuore dell'accoppiare elettrolisi e generazione variabile.

04Tutto quello che viene dopo lo stack

Il vantaggio gravimetrico dell'idrogeno - 120 MJ/kg contro 43 del gasolio - è pareggiato da un disastro volumetrico: 0,09 kg/m³ in condizioni ambiente. La compressione a 700 bar costa circa il 10-12% dell'energia del combustibile, la liquefazione il 30-35%, ed entrambe aggiungono capitale. Vettori come l'ammoniaca o gli idruri organici liquidi barattano quello con perdite di conversione a entrambi gli estremi. La molecola inoltre trafila attraverso materiali che tengono il metano, infragilisce molti acciai e - risultato quantificato solo di recente - è essa stessa un gas serra indiretto, perché allunga la vita del metano consumando i radicali OH, con un GWP a cento anni oggi stimato attorno a 11. Un'economia dell'idrogeno che perde non è un'economia innocua.

05La scala dei rendimenti, e ciò che le sopravvive

Il rendimento di catena decide l'uso finale, e i confronti non sono in bilico. Elettricità → idrogeno → auto a cella a combustibile: circa 0,70 × 0,90 × 0,55 ≈ 35%, contro il 77% del caricare direttamente un'auto a batteria. Idrogeno per il riscaldamento domestico: 0,70 × 0,90 ≈ 63% contro una pompa di calore che consegna il 300%. Con questa aritmetica l'idrogeno perde ovunque gli elettroni possano fare il lavoro. Quel che resta è comunque parecchio, perché alcuni lavori richiedono una molecola e non una corrente: sintesi di ammoniaca e metanolo, riduzione diretta del minerale di ferro per l'acciaio, raffinazione, carburanti per aviazione e navigazione, e accumulo stagionale dove un serbatoio economico batte una batteria costosa anche al 35% di ciclo. La distinzione non è ideologica: è se l'alternativa sia un cavo.

06Che cosa determina davvero il costo

Ai prezzi attuali degli stack, l'elettricità è il 60-80% del costo dell'idrogeno verde, quindi l'LCOH è essenzialmente un prezzo dell'elettricità riscritto e diviso per un rendimento, più un termine di capitale che punisce gli stack fermi. Ecco perché i progetti annunciati si concentrano dove l'energia è più economica e costante, perché quasi ogni curva di costo credibile è in realtà una scommessa sul prezzo dell'elettricità rinnovabile, e perché il divario fra capacità annunciata e capacità in esercizio è rimasto enorme: il vincolo non è la tecnologia. La domanda ingegneristica interessante del prossimo decennio non è come arrivare all'85% di rendimento, ma come costruire uno stack che tolleri di essere acceso e spento col vento senza morire.