Dall’idrogeno all’energia: come funzionano le batterie a idrogeno e le loro applicazioni

Come funziona la batteria a idrogeno? Dato l’accresciuto interesse nell’utilizzo di questo elemento come vettore energetico, ad esempio nella mobilità del futuro, si tratta di una curiosità sempre più diffusa nell’opinione pubblica. In realtà, parlare di batterie a idrogeno potrebbe essere fuorviante: più propriamente, ci si deve riferire alla produzione di energia tramite celle a combustibile, ovvero ai sistemi fuel-cell.

L’idrogeno rappresenta di certo un promettente alleato per superare la dipendenza dai combustibili fossili. Al momento, la produzione di questo elemento rimane però complessa e richiede grandi quantità di energia. Di seguito, tutte le informazioni utili.

Come si produce l’idrogeno

Prima di entrare nel merito dell’impiego dell’idrogeno nei sistemi a batteria, è utile soffermarsi sulla produzione e l’immagazzinamento di questo elemento. Innanzitutto, è utile ricordare che l’idrogeno – a differenza dei combustibili fossili o delle fonti rinnovabili – non è una fonte di energia, bensì un vettore energetico. In natura non lo si trova infatti da solo, ma è legato ad altri elementi come l’acqua o gli idrocarburi: per produrlo, di conseguenza, è necessario sfruttare energia prodotta da altre fonti.

In linea esemplificativa, l’idrogeno può essere prodotto avvalendosi di diversi sistemi e tecnologie. Fra le più diffuse, si possono prendere in considerazione:

• Steam Methane Reforming (SMR): è il metodo oggi più utilizzato per la produzione di idrogeno, sfruttando il metano e il vapore acqueo che, reagendo fra di loro, rilasciano idrogeno e monossido di carbonio. Da questo processo si ricava il cosiddetto “idrogeno grigio”, perché vengono emessi gas climalteranti;
• SMR con cattura di CO2: si tratta di un’evoluzione del precedente sistema, dove i gas climalteranti – come la CO2 – vengono catturati anziché emessi nell’ambiente. In questo caso, si parla di “idrogeno blu”;
• Elettrolisi: l’idrogeno può essere prodotto anche dall’acqua, separandone le molecole di idrogeno e di ossigeno, sfruttando l’elettricità. In questo caso si parla di “idrogeno verde”, poiché il processo non emette gas climalteranti. Tuttavia, affinché la produzione sia effettivamente pulita, è necessario utilizzare energia da fonti rinnovabili. Se quest’ultima viene ricavata da combustibili fossili, le emissioni climalteranti sono ovviamente a monte dell’intero processo.

Come funziona la batteria a idrogeno

Nell’immaginario comune, per batteria a idrogeno si intendono più propriamente le celle a combustibile, dove si sfrutta questo elemento per la produzione di elettricità. È la tecnologia ad esempio impiegata nelle auto fuel-cell, dove si converte idrogeno e ossigeno in acqua, ricavando energia che serve poi ad alimentare il motore elettrico della vettura o, ancora, a ricaricare delle comuni batterie al litio.

Nei sistemi fuel cell, l’idrogeno viene inizialmente conservato in forma liquida all’interno di un serbatoio. Viene poi inviato dal serbatoio stesso in apposite celle, dove si combina con l’aria. Quando le molecole di idrogeno incontrano quelle di ossigeno:

• viene generata energia elettrica;
• viene rilasciata una certa quantità di calore e di vapore acqueo come prodotti di scarto.

L’energia così prodotta può essere poi immediatamente sfruttata, ad esempio per alimentare un motore elettrico, o ancora può essere immagazzinata nei sistemi di accumulo, quali le batterie al litio. Così come evidente nel processo, i sistemi fuel cell permettono di ottenere energia senza sottoprodotti inquinanti o gas climalteranti: l’unico scarto di questo processo è infatti l’acqua.

I vantaggi delle batterie a idrogeno, nei sistemi fuel cell

Il ricorso all’idrogeno all’interno dei sistemi fuel cell ha degli innegabili vantaggi, tali da rendere questo vettore energetico uno dei più promettenti alleati per superare la dipendenza dai combustibili fossili e ridurre la produzione di gas climalteranti, come ad esempio la CO2.

Ma quali sono i benefici più comuni di questa tecnologia? Fra i più interessanti, si elencano:

• assenza di emissioni: come si è visto, il sottoprodotto della produzione di energia tramite una cella a combustibile è l’acqua;
• energia immediatamente disponibile: nei sistemi fuel cell l’energia, impiegata ad esempio per alimentare un motore elettrico, viene prodotta istantaneamente. Si superano così le tipiche limitazioni dei sistemi a batteria, dove l’energia deve essere prima immagazzinata e poi utilizzata, con gli ovvi tempi di attesa per la ricarica;
• tempi di rifornimento ridotti: nei sistemi fuel cell, quando il serbatoio è vuoto il rifornimento di idrogeno richiede pochi minuti.

Svantaggi dell’idrogeno nei sistemi fuel cell

Come facile intuire, le batterie a idrogeno – intese più propriamente come sistemi fuel cell – presentano anche alcuni svantaggi:

• a oggi, i sistemi a cella a combustibile rimangono abbastanza costosi da implementare. È proprio questa una delle ragioni che ha spinto, ad esempio, l’industria automobilistica a spingere maggiormente sulle batterie al litio per alimentare motori elettrici, dati gli elevati costi delle tecnologie fuel cell;
• come già spiegato, l’idrogeno non è una fonte di energia ma un vettore energetico. Servono quindi grandi quantità di energia per produrlo: se quest’ultima non è ottenuta tramite fonti rinnovabili, se ne perdono tutti i vantaggi in termini di emissioni.