Pubblicato su Politica Domani Num 34 - Marzo 2004

Nuovi combustibili
Mito e realtà dell'idrogeno
È efficace, praticamente inesauribile come fonte di energia, ma ...

di Danilo Rossi

L'ipotesi di un esteso impiego dell'idrogeno quale combustibile pulito, soprattutto per i trasporti terrestri e aerei, viene ciclicamente riproposta. I vantaggi di questo impiego dell'idrogeno sono ben noti, ma una valutazione obbiettiva deve tener conto anche dei suoi inconvenienti, qui brevemente rammentati.

L'idrogeno oggi
L'idrogeno è impiegato quale reagente per la sintesi dell'ammoniaca, del metanolo, e delle innumerevoli reazioni di idrogenazione (per saturare i grassi, per ottenere ammine da nitrili, cicloesano da benzene, per i processi di raffinazione del petrolio). Allo stato liquido è impiegato, assieme all'ossigeno pure liquido, come propellente per i razzi vettori destinati a sparare nello spazio veicoli spaziali di ogni genere. In fisica l'idrogeno è usato nelle camere a bolle, per seguire e fotografare particelle subnucleari.
Oggi però si parla e si scrive molto sull'impiego dell'idrogeno quale combustibile, soprattutto per i trasporti terrestri e aerei. Impiego meno "nobile" in quanto destinato a richiedere quantità molto grandi - come accade sempre quando si passa dall'uso chimico a quello energetico - e a confrontarsi con i prodotti tradizionali. Questi godono del vantaggio non soltanto dell'ampia disponibilità e del basso costo, ma anche di una struttura integrata, industriale e commerciale, collaudata da quasi un secolo.
L'idrogeno come combustibile non è certo una novità, dato che nel vecchio gas illuminante o gas di città (ottenuto da carbone o da idrocarburi) ne era presente una percentuale rilevante. L'attuale abbondante disponibilità di gas naturale a costi ragionevoli ha fatto praticamente scomparire dai paesi industrializzati il gas manifatturato quale combustibile.

L'idrogeno quale combustibile
L'idrogeno brucia senza difficoltà né problemi; però occorrono volumi di gas tre volte maggiori rispetto al metano per ottenere la stessa quantità di energia utile. La fiamma idrogeno-aria è pochissimo emissiva (non è luminosa); al rapporto stechiometrico la sua temperatura - 2400 K - è più alta di 210 K rispetto a quella del metano. Gli unici prodotti della combustione dell'idrogeno con aria sono, oltre all'azoto e all'acqua, gli ossidi di azoto, che si formano ad alta temperatura. Gli altri inquinanti prodotti dai combustibili fossili (CO, incombusti, ecc.) sono ovviamente assenti.
La velocità di propagazione della fiamma dell'idrogeno è circa dieci volte quella del metano. Il campo di infiammabilità della miscela metano-aria assai più esteso: tra 4% e 75% del volume. L'energia minima per accendere una miscela combustibile-aria è di 0,3 mJ per il metano e soltanto di 0,02 mJ per l'idrogeno.
Quest'ultima caratteristica favorisce la combustione catalitica (senza fiamma) dell'idrogeno, che può avvenire a temperatura intorno a 100° C, quindi senza formazione di ossidi di azoto.
L'assieme delle proprietà fisiche e chimico fisiche (vedi Tabella) mette in cruda evidenza l'alto rischio dell'impiego dell'idrogeno quale combustibile in applicazioni diffuse e affidate a non tecnici quali i conducenti di mezzi quali camion, bus, auto e aerei.

L'idrogeno per il trasporto aereo
I fautori dell'idrogeno liquido come combustibile per aerei fanno notare che, a parità di energia prodotta, esso pesa circa tre volte meno del cherosene. Tale vantaggio è però ridotto dal notevole peso necessario per l'isolamento termico dei serbatoi. Inoltre, l'idrogeno produce 33,3 kWh/kg contro 12,0 kWh/kg per gli idrocarburi; dato però che l'idrogeno liquido ha densità 0,07 kg/litro contro gli 0,75 del cherosene, i serbatoi per l'idrogeno liquido a bordo dell'aereo dovrebbero avere capacità circa 4 volte quella dei serbatoi usuali.
L'idrogeno dà una spinta maggiore a parità di portata del getto, perché il minore peso molecolare dei gas combusti produce una velocità di effusione maggiore.
Nel caso degli aerei supersonici, l'idrogeno è favorito dal suo elevato contenuto energetico e dalle grandi quantità di energia in gioco.
Gli aerei che usano come propellente l'idrogeno liquido inquinano meno, il funzionamento dei loro motori a getto è più silenzioso, ma sono più grandi. La combustione dell'idrogeno in tali motori è stata provata e risulta affidabile e scevra di inconvenienti particolari.
Gli ostacoli principali sono l'immagazzinamento e il movimento di grandi quantità di idrogeno liquido criogenico e il suo costo molto elevato. In un grande aeroporto se ne dovrebbero movimentare da 1000 a 1500 tonnellate al giorno.
(continua)

Note esplicative e nomenclatura

- Criogenico: relativo agli studi, alle tecniche, alle apparecchiature per la produzione di basse e bassissime temperature - Che genera freddo.
L'immagazzinamento dell'idrogeno sotto forma di liquido richiede compressione e forte raffreddamento del gas, fino alla temperatura di -253°C. Un grosso problema è legato alla necessità di mantenere il liquido costantemente alla temperatura di -253°C e questo comporta, nonostante i sistemi di isolamento termico disponibili, una continua domanda di energia da parte del sistema di refrigerazione.

- Gas manifatturato: gas di città.

- Rapporto stechiometrico: è così definito il rapporto in peso esatto per la combustione fra aria e combustibile.
Per esempio, sono necessari 14,7 kg di aria per bruciare 1 kg di benzina, 14 kg di aria per 1 kg di gasolio, 34 kg per 1 kg di idrogeno.

- Campo di infiammabilità: sul volume totale di aria è la percentuale di gas (in questo caso l'idrogeno) necessaria per innescare la combustione.

- Velocità di effusione: velocità dei gas di scarico emessi dal motore.
La maggiore velocità del mezzo dipende dall'azione combinata di due leggi fondamentali della fisica classica: la conservazione della quantità di moto e il principio di azione e reazione.

- Motori a getto (o motori a reazione): i motori a getto generano una spinta con l'ausilio di una turbina a gas (così chiamata perché utilizza l'aria, che è un gas). La turbina a gas trasforma l'energia potenziale del carburante in energia utile, mediante l'espulsione dei gas di scarico ad alta velocità. Come il colpo di un fucile che "reagisce" rinculando all'azione del suo proiettile che esce a forte velocità.