Dall’energia solare all’idrogeno, continua la ricerca

Lo sviluppo del vettore idrogeno per diversi motivi non è finora decollato e quel poco che è distribuito oggi nelle auto a celle a combustibile spesso è derivato dal metano. Invenzioni e innovazioni negli Stati Uniti e al nostro Cnr potrebbero però aprire alcuni interessanti sviluppi.

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L’economia all’idrogeno teorizzata alcuni anni fa dall’economista Jeremy Rifkin, in cui questo gas combustibile e non inquinante avrebbe fatto da vettore delle energie rinnovabili e da combustibile per i trasporti, stenta a materializzarsi. Le ragioni sono molte: dalla difficoltà di immagazzinarlo per lunghi periodi, fino alla sua bassa densità energetica.

Ma ci sono anche colli di bottiglia nella produzione stessa di questo gas tramite elettrolisi dell’acqua: un processo che per raggiungere discrete efficienze, intorno al 70%, richiede macchinari costosi, che usano catalizzatori a base di metalli rari come il platino. Così la maggior parte dell’idrogeno venduto oggi, compreso quello che finisce nelle poche auto «verdi» a celle a combustibile, è in realtà derivato dal metano, una fonte fossile.

Ma nuove invenzioni fatte negli Usa e a Firenze, potrebbero rivoluzionare il settore, e rendere più vicine le predizioni di Rifkin.

Tutto comincia nel 2011, anno in cui fece scalpore l’invenzione di un chimico del MIT, Daniel Nocera, di un nuovo dispositivo, simile a un foglio di cartoncino scuro di pochi centimetri di lato, soprannominato “foglia elettronica”, che immerso in acqua la scomponeva in idrogeno e ossigeno, usando come unica fonte energetica la luce solare.

La foglia di Nocera non è altro che una piccola cella fotovoltaica di plastica, ricoperta con due catalizzatori, uno al cobalto dalla parte illuminata e uno al nickel in quella in ombra. Gli elettroni (e le relative “buche”) prodotti dalla cella, grazie ai catalizzatori, sono in grado di scomporre l’acqua in idrogeno e ossigeno, senza bisogno di macchinari, trasformatori, acidi o alcali da aggiungere alla soluzione, elettrodi metallici, fili di alimentazione o altre complicazioni.

L’interesse mediatico per il foglietto nero che in acqua produceva una nube di bollicine di idrogeno e ossigeno come per magia, fu notevole e Nocera si spinse a prefigurare una rivoluzione energetica, in cui, per esempio, nei paesi poveri la gente non connessa alla rete elettrica, si sarebbe prodotta a casa il proprio idrogeno con la foglia artificiale e l’acqua del pozzo, utilizzandolo poi per cuocere, scaldarsi e produrre elettricità.

Per raggiungere questo scopo il chimico e i suoi colleghi fondarono anche la società Sun Catalytix, allo scopo si commercializzare il dispositivo. Ma sono passati cinque anni e di foglie in giro continuano vedersene solo di naturali.

Le ragioni le spiegò Nature già un anno dopo l’annuncio dell’invenzione: a causa della bassissima efficienza del dispositivo, circa il 2%, e della sua breve vita, i conti non tornavano. Un chilo di idrogeno prodotto con la foglia artificiale veniva 6,50 $, contro un dollaro di quello da metano. Visto che prodotto con elettrolisi da elettricità solare un chilo di idrogeno costava allora sui 7 dollari (e dal 2012 pannelli solari e relativo kWh sono crollati di prezzo), la foglia artificiale non risultava competitiva né con l’idrogeno da fossili, né con quello da elettrolisi convenzionale con rinnovabili.

Adesso Nocera, che intanto si è trasferito ad Harvard, ci riprova e rilancia: pochi giorni fa su Science è apparso un suo articolo sulla “Bionic leaf 2.0”, un dispositivo simile al primo, dove però l’idrogeno in uscita dalla cella viene assorbito da batteri, che, unendolo alla CO2 dell’aria, producono alcool isopropilico o butilico, che sono combustibili liquidi, quindi molto più facili da utilizzare dell’idrogeno e di valore molto più alto.

Il rendimento energetico complessivo della cella, secondo Nocera, è ora intorno al 10%, cinque volte quello della fotosintesi naturale, che, nei vegetali, da acqua, sole e CO2 produce zuccheri.

Finalmente è arrivata la rivoluzione della foglia elettronica, sia pure in versione bionica?

«Nocera è un ottimo scienziato, che propone sempre soluzioni innovative e intelligenti, ci spiega Francesco Vizza, dirigente di ricerca dell’Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici del Cnr. «Per esempio, questa sua nuova “foglia artificiale bionica”, fa a meno del nickel, ottenendo rendimenti molto migliori grazie a due diversi catalizzatori al cobalto. L’eliminazione del nickel ha anche evitato la progressiva contaminazione dell’acqua con questo metallo e con composti ossidanti, che avrebbero ucciso i batteri. Aggiungiamo però che Nocera, oltre a essere un ottimo ricercatore, è anche un ottimo comunicatore, che riesce ad attirare molta attenzione mediatica sulle potenzialità delle sue idee, e non altrettanta sui loro punti deboli».

Cioè?

Beh, per esempio nel suo ultimo lavoro scrive che i batteri erano ancora al lavoro dopo sei giorni e che la cella funzionava ancora bene dopo 16 giorni. Viene da chiedersi perché abbia usato due periodi così particolari e diversi: cosa sarà successo ai batteri dopo il sesto giorno e alla cella dopo il sedicesimo? Non è che avranno assistito a un crollo delle loro performance? Nel lavoro non si spiega, ma se bastassero periodi così brevi a far calare i rendimenti del dispositivo, le cose non si metterebbero bene per i costi finali dei suoi prodotti

In effetti uno dei punti deboli della vecchia foglia artificiale era la sua scarsa durata, per la progressiva corrosione del catalizzatore al nickel

In questa versione, altro colpo comunicativo, dicono che il catalizzatore al cobalto si “autoripara”. In realtà quello che accade è che si corrode il cobalto al catodo e si deposita all’anodo, cioè uno strato si assottiglia e l’altro si ispessisce. Non credo che questo sia molto utile alla vita della cella. Infatti, sulla sua durata glissano abbastanza, così come sui costi finali della stessa. In queste condizioni come si fa a stimare la sua produttività e convenienza?

Insomma, usare il sole per produrre idrogeno e altri composti utili, è una strada senza sbocco?

Non ho detto questo, l’idea di usare l’idrogeno “verde” per produrre alcoli, assorbendo anche CO2 atmosferica, è ottima, anche se non so quanto il sistema “bionico” ideato da Nocera sia pratico e possa diventare un giorno un sistema industriale.

In effetti all’Iccom, senza tanta fanfara mediatica, hanno già ottenuto interessanti risultati lungo quella linea di ricerca, anche se con metodi più convenzionali.

Il Dipartimento dell’Energia americano aveva indicato come obbiettivo riuscire a far scendere il consumo energetico nella produzione di idrogeno per elettrolisi dagli attuali 50 kWh per chilo di gas a 42-43 kWh. Ebbene con un metodo di nostra invenzione siamo scesi a 18 kWh per chilo di idrogeno prodotto. Come ci siamo riusciti? Usando un catalizzatore in palladio montato su nanotubi di titanio, e compiendo l’elettrolisi su alcool etilico, invece che su acqua.

Ma l’alcool etilico è già un combustibile, che senso ha usarlo per produrre idrogeno?

Ha senso perché la sua ossidazione produce acido acetico e altri composti molto richiesti dall’industria chimica, quindi usandolo come base per l’elettrolisi si recupera la sua energia sotto forma di idrogeno, e in più lo si trasforma in un prodotto di maggior valore. Ma non basta, ultimamente stiamo lavorando nell’accoppiare in una cella elettrolitica l’ossidazione degli alcoli alla produzione di combustibili tramite reazione fra CO2 e idrogeno. In pratica all’anodo si ossidano gli alcoli e con gli elettroni prodotti, uniti all’idrogeno che si libera al catodo, si trasforma la CO2 dell’aria in metano ed etano: per ogni kWh di energia fissiamo così 203 grammi di CO2, contro i 180 della foglia bionica di Nocera.

Vizza e i suoi collaboratori stanno ora costituendo una startup per sfruttare il processo, che, partendo da bioalcol ottenuto da cellulosa, produca, usando elettricità rinnovabile, sia composti chimici di valore che idrogeno ad alta pressione.

Applicando reazioni elettrochimiche, alimentate da elettricità rinnovabile, a composti diversi dall’acqua si apre un campo enorme di possibilità. Per esempio stiamo ora studiando la trasformazione del glicerolo, uno scarto della fabbricazione del biodiesel, in acido lattico e altri precursori delle bioplastiche, oltre che di idrogeno, naturalmente.

Non sarà mediaticamente fantasmagorico come le foglie artificiali di Nocera, ma forse il metodo inventato a Firenze ha qualche possibilità in più di dare una mano alla costruzione del nuovo sistema energetico e industriale “verde” del futuro.

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