L'idrogeno come alternativa: stato dell'arte, politiche ed analisi dei costi per la produzione di bioidrogeno

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dell’idrogeno, indicano come negli ultimi anni ci sia stata una sensibile 
accelerazione. 
 
In questo lavoro di tesi si cerca di dare una visione, il più possibile 
completa, dello stato dell’arte delle tecnologie legate all’idrogeno, dalle 
tecniche di produzione agli usi, mettendo in luce il funzionamento, i limiti e 
le prospettive future di quest’ultime (cap. 4 e 7). Viene in seguito definita la 
situazione nazionale ed internazionale delle politiche energetiche ad esso 
legate, mantenendo una visione molto pratica dei macroproblemi da 
affrontare nel breve e lungo periodo (cap. 1, 2, 3) senza tralasciare il 
problema dal punto di vista tecnico (cap. 5 e 6). 
Nell’ultimo capitolo (cap. 10) viene inoltre illustrata la strada (molto 
promettente all’avviso dell’autore) della produzione microbiologica 
dell’idrogeno da biomassa e/o da luce solare. Il prodotto finale di tale 
processo è chiamato, appunto, bioidrogeno. L’indagine, svolta 
principalmente su letteratura in lingua inglese e tedesca, presenta i recenti 
sviluppi di tale tecnologia e la raccolta dei dati (non molto diffusi) sulle 
efficienze energetiche e sui costi di impianto è volta ad una stima 
preliminare del costo di produzione, paragonato a quello di altri metodi di 
produzione da energie rinnovabili. 
 
 6
1 L’alternativa dall’idrogeno 
 
Immagina 
un’Italia molto più indipendente dall’importazione di combustibili fossili, 
trasporti in Italia con emissioni di CO
2
 e di altri agenti inquinanti 
praticamente assenti, 
una fiorente industria per l’Italia basata sulla produzione di energia 
all’avanguardia e di veicoli innovativi, 
un’agricoltura che potrebbe aumentare i propri introiti dalla coltivazione di 
piante per la produzione di energia. 
In questo momento questa visione è abbastanza distante dalla realtà e 
la domanda globale di energia continua a crescere in modo drammatico. 
Sebbene le previsioni siano molto variabili, il trend è in aumento nel 
prossimo futuro. La maggior parte di questo aumento dei consumi si sta 
accompagnando alla diminuzione delle riserve di combustibili fossili ed alla 
emissione continua di biossido di carbonio e di altri inquinanti atmosferici. 
Anche l’Italia ha seguito questo trend dato che attualmente la stragrande 
maggioranza dei nostri bisogni energetici vengono soddisfatti da fonti non 
rinnovabili. Negli ultimi trent’anni il maggior incremento del consumo di 
energia è stato registrato nel settore dei trasporti, che rimane quasi 
interamente dipendente dai combustibili fossili. 
 
 
1.1 Il problema del carbone 
 
Le preoccupazioni ambientali per i tradizionali combustibili fossili sono 
il motore del distacco da una economia basata sul carbone. Circa il 90% di 
CO
2
 e l’80% di altri gas serra provengono dalla produzione e dall’uso di 
energia ed il rilascio di questi gas nell’atmosfera producono un 
riscaldamento globale e piogge acide. Negli ultimi 150 anni c’è stato un 
 7
aumento di 1° C della temperatura del pianeta e la società scientifica 
conviene sul fatto che se la società continuerà in questo modo il trend avrà 
addirittura un’accelerazione. I problemi diventeranno ancora più evidenti 
con l’incremento delle inondazioni e l’alterazione delle stagioni. 
 
 
Figura 1 – Andamento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera 
 
L’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) raccomanda una 
riduzione globale di emissioni di anidride carbonica almeno del 50% al fine 
di stabilizzare il livello di CO
2
 nell’atmosfera a 550 ppmv (parti per milione in 
volume) per contenere gli effetti climatici negativi. 
Per questi motivi molte nazioni, compresa l’Italia, hanno firmato il 
protocollo di Kyoto, un impegno legale a ridurre le emissioni al di sotto dei 
livelli del 1990. Un passaggio ad una fonte energetica meno inquinante si 
rende quindi necessaria per raggiungere questi obiettivi e l’Idrogeno viene 
considerato come una strada per realizzare questo passaggio. Anche 
motivazioni economiche, oltre che energetiche, spingono all’allontanamento 
 8
dai combustibili fossili. Sia la natura limitata dei combustibili fossili, sia 
l’aspettato aumento dei consumi alla luce delle poche sicurezze geo-
politiche tenderanno a far lievitare il prezzo al passare del tempo. 
Attualmente in molte aree di produzione di combustibili fossili hanno 
raggiunto il picco e ci si aspetta una diminuzione dei livelli di produzione nei 
prossimi 20 anni. Le stime più recenti indicano che la produzione diminuirà 
drasticamente intorno al 2040 e il gas naturale circa 20 anni dopo. Negli 
anni seguenti il restante combustibile fossile sarà disponibile solo in quelle 
regioni che sono più instabili politicamente. La curva di domanda e offerta ci 
indica che la nostra attuale dipendenza da prodotti derivati dal petrolio 
dovrà cessare in futuro. 
E’ in questo contesto che lo sviluppo di un’economia energetica basata 
sull’Idrogeno viene portata avanti. Anche in Italia la pubblicazione del 
recente “Libro Bianco sull’Idrogeno”  sottolinea l’importanza dell’idrogeno in 
mercati futuri e viene auspicato uno sviluppo dell’economia all’Idrogeno. 
Bisogna ricordare inoltre che l’utilizzo di base di un combustibile solido 
piuttosto che liquido sono scelte strategiche che hanno non poca 
importanza anche per l’Italia. Il nostro Paese ha conosciuto il suo boom 
economico ed industriale quando si è verificata una larga disponibilità di 
petrolio, cioè di un vettore energetico liquido che ha una distanza 
economica di trasporto maggiore di 3000 km. Se, in futuro, i combustibili 
fossili solidi saranno convertiti in sintetici liquidi, si prolungherà l’attuale 
disponibilità di greggio e si confermeranno le possibilità dell’Italia di restare 
nell’èlite dei Paesi più industrializzati. In sintesi, il vero sviluppo futuro per 
l’utilizzazione del carbone dovrebbe perciò essere la realizzazione dei 
processi industriali di liquefazione o gassificazione
1
. 
 
 
 
 
 
 
 9
In particolare i problemi che ci si presentano sono: 
 
1.2 Domanda di Energia 
 
La domanda di energia globale raddoppierà verosimilmente nei 
prossimi 50 anni, spinta da una popolazione in aumento e la crescita 
economica, in particolare dei paesi in via di sviluppo. Allo stesso tempo, le 
riserve di petrolio avranno raggiunto il picco nella maggior parte dei paesi 
produttori. La maggior parte del petrolio rimanente si troverà concentrato 
negli instabili paesi del Golfo. Sebbene la domanda energetica in Italia non 
stia crescendo alla velocità di altri paesi, se si continuerà a rifornirsi in 
questo modo per soddisfare i propri bisogni energetici, la competizione 
nell’approvvigionamento a causa delle riserve in diminuzione farà 
aumentare significativamente i costi dell’energia così come le potenziali 
difficoltà economiche a cui si va incontro. 
 
 
1.3 Sicurezza e Continuità dell’approvvigionamento 
 
Le recenti interruzioni di energia in molte parti del pianeta hanno 
messo in luce i potenziali problemi che si presentano quando la domanda 
non riesce ad essere soddisfatta dalla fornitura o dove grandi centri urbani 
sono dipendenti da un’unica infrastruttura energetica centralizzata. Gli effetti 
del black-out del 2004 in Italia, come quelli ad esempio del North Eastern 
degli Stati Uniti e di Londra negli ultimi anni, hanno avuto un impatto 
negativo sull’economia. Le recentissime polemiche sull’importazione di gas 
naturale dalla Russia ci ricordano la nostra instabile dipendenza da una 
fornitura continua di combustibili fossili e le potenziali difficoltà che 
accompagnano interruzioni di fornitura anche di breve periodo. Si vede 
l’evidenza a scala globale della potenziale instabilità dei paesi fornitori di 
combustibili fossili. Senza cambiamenti nel nostro modo di 
 10
approvvigionamento energetico i temi di sicurezza e continuità nella 
fornitura diventeranno sempre più significativi. 
 
 
1.4 Cambiamento climatico 
 
Il preoccupante bilancio di evidenza scientifica ci dimostra l’opinione che le 
emissioni dell’attività umana stanno avendo un effetto nocivo sul clima 
mondiale. La principale di queste emissioni, il biossido di carbonio, è 
un’inevitabile conseguenza dell’uso inesorabile di combustibili fossili. Senza 
una drastica riduzione della quantità di CO
2
 rilasciato dalle nostre attività, ci 
saranno potenzialmente conseguenze disastrose per il clima globale e 
impatti devastanti sull’umanità. Il cambiamento climatico in Italia può 
influenzare negativamente gli habitats naturali e culturali, avere effetti sulla 
salute e danneggiare l’economia italiana. 
 
 
1.5 Peggioramento della qualità dell’aria 
 
L’assenza di uno smog visibile in gran parte dell’Italia nasconde il 
problema creato dagli invisibili ossidi di azoto, monossido di carbonio e 
articolato generato dai nostri veicoli e dalla nostra industria. E’ stimato che 
nel pianeta circa 3 milioni di persone muoiono prematuramente ogni anno a 
causa dell’inquinamento atmosferico. Il traffico ad esempio delle grandi città 
italiane contribuisce non poco ai problemi di salute degli italiani. Per 
contrastare questa situazione in Italia, come nel resto del mondo, è 
necessario proporre nuove soluzioni di trasporto ad energia pulita. L’uso 
dell’Idrogeno come carburante per i trasporti può ridurre drasticamente 
queste pericolose emissioni. Da uno studio molto recente (giugno 2006) 
dell’OMS su 13 città italiane
2
 si è messo in luce come siano responsabili le 
polveri sottili di malattie e cancro. Da questo studio emerge che sono oltre 
 11
8000 in Italia i decessi che si sono verificati tra il 2002 e il 2004 in 13 città 
del Bel Paese per gli effetti a lungo termine delle sostanze atmosferiche 
nocive (particolato pm10 e ozono). Lo studio è stato condotto 
dall’Organizzazione Mondiale della Sanità – Ufficio regionale per l’Europa 
per conto dell’Agenzia per la protezione dell’ambiente. Almeno il 9% della 
mortalità negli “over 30” avrebbe come causa l’inquinamento e le emissioni 
automobilistiche ed in particolare quell’insieme di particelle solide e liquide 
che, sospese nell’aria, rappresentano una miscela complessa di sostanze 
organiche e inorganiche e che prende il nome di articolato. Concentrazioni 
di particolato superiori ai 20 µg/m
3
 si traducono in cancro al polmone 
(stimati 742 casi/anno), infarto (2562 casi/anno) e ictus (329 casi/anno). 
L’ozono si stima che provochi annualmente nelle città italiane 516 morti 
 
 
1.6 L’energia dall’Idrogeno 
 
La fornitura di idrogeno è teoricamente inesauribile e quest’ultimo può 
essere prodotto in molti modi da varie fonti primarie di energia. 
Diversamente dai combustibili fossili, le risorse da cui produrre l’Idrogeno 
sono illimitate in ogni paese o regione e possono venire utilizzate a questo 
scopo una larga varietà di tecnologie, adattate al luogo. 
Le diffuse applicazioni per la produzione di elettricità da fonti 
rinnovabili, adattate alle risorse locali, possono dare una risposta a molti dei 
problemi dell’energia basata sul carbonio. Molte forme di energia 
rinnovabile hanno però una natura discontinua e per questo necessitano 
delle forme di stoccaggio dell’energia a lungo termine per consentire la 
corrispondenza tra domanda e offerta. L’uso dell’Idrogeno come vettore 
energetico, insieme all’uso di fonti di energia rinnovabile può soddisfare 
l’effettivo stoccaggio dell’energia rinnovabile discontinua, eliminando lo 
squilibrio tra domanda e offerta. L’Idrogeno prodotto da fonti rinnovabili può 
inoltre mantenere la libertà del trasporto personale, ottenendo al contempo 
una necessaria riduzione di CO
2
 e degli altri inquinanti. 
 12
L’Idrogeno può essere prodotto utilizzando energia elettrica da fonti 
rinnovabili per mezzo di elettrolisi dell’acqua, che ha come prodotto 
idrogeno e ossigeno. Si tratta ti una tecnica sicura e matura ma può 
risultare un metodo costoso di produzione, fintanto che il prezzo dell’energia 
rinnovabile è più alto di quella da combustibili fossili, essendo l’elettrolisi 
comunque un processo in sé costoso. Ciononostante nicchie di mercato 
come quelle dell’energia eolica hanno una posizione di vantaggio in quanto 
l’energia che viene in ogni caso prodotta come surplus può essere usata 
per creare idrogeno. La produzione e la distribuzione dell’Idrogeno è già 
un’alternativa economicamente conveniente per l’istallazione o l’upgrade di 
reti elettriche in zone remote dove si vuole favorire lo sviluppo di nuova 
energia rinnovabile come ad esempio le maree. L’Idrogeno può inoltre 
essere prodotto da biomassa, materiale organico di rifiuto e coltivazioni 
energetiche
a
. La produzione da biomassa, come sarà illustrato in seguito, 
crea CO
2
 che non entra nel bilancio totale in quanto il carbonio rilasciato 
dipende dal naturale ciclo del carbonio). La produzione di Idrogeno da 
biomassa risponde agli obiettivi di uno sviluppo sostenibile, della sicurezza 
nella fornitura e della diversificazione dell’agricoltura. 
Le tecnologie che sfruttano l’idrogeno sono ideali anche per comunità 
agricole poiché l’idrogeno può essere prodotto e stoccato localmente, senza 
la necessità di un’infrastruttura nazionale. E’ tuttavia possibile anche 
un’infrastruttura centralizzata per un’economia dell’idrogeno, che potrebbe 
                                                 
a
 Normalmente le coltivazioni energetiche non vengono utilizzate per la produzione di H2 ma per la 
combustione. E’ qui riportato un esempio delle rese e del contenuto energetico delle più comuni (fonte: 
UNDP World Energy Assessment): 
 
Tipo di coltivazione 
Resa 
[tonnellate secche/ha/anno 
Rendimento energetico 
[GJ/ha/anno) 
Legnose 
Legna 1-4 30-80 
Piantagione tropicale (senza 
fertilizzanti e irrigazione) 
2-10 30-180 
Piantagione tropicale (con 
fertilizzanti e irrigazione) 
20-30 340-550 
Selvicoltura con rotazione 10-15 180-260 
Non legnose 
Canna da zucchero 15-20 400-500 
Barbabietola da zucchero 10-21 30-200 
Semi di colza 4-10 50-170 
 
 13
beneficiare di economie di scala per quanto riguarda la produzione, ma 
ostacoli maggiori si presenterebbero poi nello stoccaggio e nella 
distribuzione. Una combinazione di questi due modelli di infrastruttura 
possono essere applicati a seconda della localizzazione geografica del sito 
e delle risorse naturali
3
. 
L’idrogeno può venire bruciato e si comporta come un combustibile 
pulito ed a rendimento piuttosto alto, che rilascia nell’ambiente come 
prodotti della combustione solo acqua e nessuna traccia di CO
2
. Inoltre può 
anche essere mescolato con altri combustibili tradizionali nella trazione e 
garantire un maggiore rendimento termico e una minore emissione di gas 
esausti. In alternativa, può essere utilizzato in celle a combustibile. Le celle 
a combustibile (fuel cells) combinano idrogeno ed aria, producendo acqua, 
elettricità e calore. Non hanno parti in movimento, quindi sono più silenziose 
dei motori tradizionali e in condizioni operative di picco tre volte più 
efficienti. L’idrogeno è abbastanza versatile da soddisfare le necessità di 
energia in edifici, trasporti ed attrezzature portatili. 
L’idrogeno prodotto per via rinnovabile usato in combinazione con le 
fuel cells può ridurre drasticamente (se non addirittura eliminare) le 
emissioni di inquinanti come CO
2
, CO, NO
x
. Inoltre mischiato ad altri 
combustibili tradizionali come diesel o gas naturale riduce di molto le 
emissioni, anche quando bruciato in un normale motore a combustione 
interna. La riduzione degli inquinanti in atmosfera che può favorire l’uso 
dell’idrogeno porterebbe ad un netto miglioramento della salute per un 
numero significante della popolazione italiana. 
 
 
1.7 Il futuro mix energetico 
 
E’ chiaro che il nostro prossimo futuro energetico continuerà a 
rimanere dipendente dai combustibili fossili, con una transizione dal 
consumo di petrolio a quello di gas naturale, conseguenza delle riserve in 
diminuzione. Anche l’Italia sta spostando la produzione dell’energia elettrica 
 14
dal petrolio al gas naturale proveniente dall’est in base alle previsioni future. 
Non c’è una politica simile per quanto riguarda il trasporto (in particolare il 
trasporto su gomma) che al momento è quasi interamente dipendente dal 
petrolio. Una transizione su scala globale verso l’idrogeno come 
combustibile per i trasporti è inverosimile nel breve periodo, in particolare a 
causa dell’assenza di una infrastruttura di rifornimento di idrogeno. Il miglior 
modo per sorpassare quest’ostacolo sembra quello di adottare 
progressivamente miscele combustibili e idrogeno, come miscele di gas 
naturale-idrogeno o motori diesel ad idrogeno. Ciò permetterebbe lo 
sviluppo di una struttura di rifornimento precedente alla larga diffusione di 
veicoli funzionanti con idrogeno puro (a combustione interna o a fuel cells). 
Anche l’Italia si è impegnata ad aumentare la quantità di energia 
elettrica da fonti rinnovabili. Dove possibile, è termodinamicamente 
preferibile utilizzare questa energia sotto forma di elettricità anche se la 
variabilità della maggior parte delle fonti rinnovabili indicano che il 
bilanciamento nella rete tra domanda e offerta sarà una delle sfide 
principali, tanto più all’aumentare della proporzione di queste fonti. 
L’idrogeno, più di ogni altra tecnica, è adatto all’accumulo di energia durante 
periodi di eccessiva produzione da fonti rinnovabili e al successivo rilascio 
nei momenti di deficit. Esso può quindi essere usato in modo estremamente 
flessibile per la ri-conversione in energia elettrica o per il trasporto. 
Anche i bio-combustibili hanno un ruolo importante nel futuro mix 
energetico, anche se non sembra possibile che le coltivazioni energetiche 
destinate alla produzione di bio-combustibili potranno soddisfare le 
esigenze dei trasporti in Italia. L’idrogeno può essere infatti prodotto da 
biomassa, sia coltivata sia da liquidi di scarto. In molti casi questo è 
accompagnato ad una co-produzione di metano, che si presta al 
funzionamento in applicazioni con combustibile misto idrogeno-metano. Non 
è ben chiaro ancora quale potrebbe essere l’utilizzo migliore della biomassa 
nel mix energetico italiano, sebbene la produzione di idrogeno da biomassa 
porterebbe molte nuove potenzialità all’economia. 
Bisogna sottolineare che nessuno ha intenzione di convertire l’intero 
sistema energetico verso l’idrogeno poiché questo potrebbe in teoria farci 
 15
perdere una notevole quantità di energia. Piuttosto l’idrogeno dovrebbe 
rivestire un posto adeguato nel mix energetico totale nel momento 
opportuno. La disponibilità di numerose tecniche di produzione indica che 
l’idrogeno può essere prodotto a partire da tutte le fonti di energia che sono 
disponibili localmente. Sfruttando il nostro potenziale di produzione in Italia, 
potremmo iniziare ad eliminare i prodotti del petrolio, in particolare nel 
settore dei trasporti. Anche se la transizione non sarà immediata ci sono 
molte opportunità per un utilizzo precoce dell’idrogeno nei combustibili misti 
per motori a combustione interna. Ciò come detto aiuterebbe a creare 
un’infrastruttura per la produzione e distribuzione di idrogeno in Italia e di 
conseguenza ridurre la nostra dipendenza dai paesi fornitori di petrolio. 
Il fatto di spostarci verso un’economia dell’idrogeno è supportata sia da 
motivazioni ambientali che economiche in alcuni casi. L’idrogeno è un 
vettore energetico estremamente versatile con una varietà di tecnologie di 
produzione, in grado di essere stoccato ed utilizzato sia in applicazioni  
stazionarie (macro) sia di locomozione (micro). Generando in modo 
rinnovabile si ottengono benefici dalla sicurezza della fornitura e dalla 
possibilità di una generazione distribuita e quindi una proprietà della 
possibilità di generazione. Ne potrebbero beneficiare sia economia agricole 
che urbane dalla formazione di nuovi posti di lavoro e ciò potrebbe essere la 
base per uno sviluppo sostenibile. 
 
 
1.8 Le tappe 
 
La transizione verso un’economia dell’idrogeno in Italia può essere 
schematizzata in questo modo: 
Fase 1  Sviluppo e dimostrazione delle tecnologie,  scelta di politiche a 
sostegno di una iniziale domanda 
Fase 2  Sfruttamento commerciale dei nuovi mercati e ricerca di un 
consenso da parte della popolazione 
 16
Fase 3  Crescita del mercato, creazione di una infrastruttura di 
supporto e di linee guida per una produzione sostenibile 
Fase 4  Raggiungimento di un’economia dell’idrogeno 
 
 
Fase 1 (prossimi 5 anni) 
 
Sviluppo e dimostrazione delle tecnologie 
 
Al momento a livello internazionale ed anche in Italia si stanno 
svolgendo significativi progressi di ricerca&sviluppo. Primi passi di successo 
verso un’economia dell’idrogeno dipenderanno dall’insieme di ricerca e 
sviluppo fatti a livello locale e dall’adozione altrove di queste nuove 
tecnologie. La fortuna dell’esistenza di un’industria dell’automobile in Italia, 
dei legami tra l’Italia ed il resto d’Europa, USA e Giappone sono motivi 
stimolanti per futuri sviluppi delle tecnologie nel nostro paese. 
L’utilizzo di queste tecnologie in progetti dimostrativi operativi è 
importante per le prime tappe di sviluppo di un’economia in Italia, così come 
tecnologie pilota nella realtà quotidiana e dimostrazioni di alto livello creano 
una pubblica coscienza e una pubblica confidenza riguardo al loro impiego. 
Ciò non vuol dire che tutti i progetti dimostrativi devono essere pionieristici, 
ma devono essere applicati alla realtà italiana attraverso delle esposizioni 
per il pubblico. In questa prima fase bisognerebbe anche dimostrare 
l’utilizzabilità dell’idrogeno come combustibile per trasporti adattabile a 
diversi tipi di veicoli. Finché non ci saranno significativi sviluppi e 
dimostrazioni nello sviluppo e standardizzazione delle fuel cells, l’idrogeno 
in motori a combustione interna può considerarsi un’ottima tecnologia di 
passaggio. L’Italia possiede una delle più grandi industrie europee di 
autoveicoli e di motori e numerosi fornitori minori di componenti. Questo 
know-how nella progettazione, sviluppo e produzione di motori a 
combustione interna pone l’Italia come uno dei possibili pionieri in questo 
campo. 
 17
 
Politiche di sostegno 
 
Il passaggio ad un’economia dell’idrogeno in Italia necessita di una 
strategia politica che inglobi i principi dello sviluppo sostenibile delle future 
fonti energetiche così come deve considerare i costi ambientali 
dell’approvvigionamento e dell’uso. Sicuramente ciò non potrà essere 
raggiunto dall’Italia da sola ma c’è il bisogno di una collaborazione con le 
politiche del Parlamento Europeo. Ciò significa leggi e standards per le 
politiche regolatrici ed economiche, ed aiuti finanziari per coadiuvare la 
diffusione dell’idrogeno e di combustibili e sistemi energetici puliti alternativi. 
Una politica energetica in Italia ha bisogno però di una stabilità a lungo 
termine per permettere agli investitori e alle organizzazione di gestire il 
proprio rischio d’investimento. 
 
Stimolo della domanda iniziale 
 
Oltre ai punti di forza dati dal settore automobilistico e le misure fiscali 
gli aiuti economici dovrebbe essere creata un’infrastruttura che permettesse 
in pratica il rifornimento di idrogeno. I primi sviluppi verso un sistema di 
trasporto basato sull’idrogeno andrebbero effettuati in quei parchi di 
automezzi che tornano periodicamente ad una stazione base quindi: 
autobus cittadini, mezzi per la raccolta dei rifiuti, schuttle di alberghi ecc. 
 
Fase 2 
(5-15 anni) 
 
Sfruttamento commerciale dei mercati emergenti