20 miti dell’idrogeno – INCIPIT
Ecco l’introduzione del testo 20 Hydrogen Myths.
Amory B. Lovins, CEO Rocky Mountain Institute
Le tecnologie dell’idrogeno stanno maturando. L’industria dell’idrogeno mondiale inizia ad essere universalmente riconosciuta “grande” – producendo annualmente un quarto del volume prodotto dall’industria globale del gas naturale. L’industria, il governo e la società civile stanno iniziando ad impegnarsi seriamente nella progettazione della transizione dai prodotti petroliferi, dal gas naturale e dall’elettricità, all’idrogeno come il vettore dominante per trasportare, conservare e distribuire l’energia. Dei nuovi percorsi transitori stanno emergendo, alcuni con una visione attraverso frontiere settoriali o disciplinari e questo li rende meno comprensibili agli specialisti. Naturalmente, vi è crescente speculazione circa i vincitori, i perdenti e i segreti ordini del giorno. E mentre il nuovo concetto dell’idrogeno è velato da dibattiti obsoleti e rancorosi sulla politica energetica tradizionale, i protagonisti si stanno riposizionando in modi inattesi.
In breve, la tipica ondata di confusione si diffonde attraverso il paese. Di che si tratta? L’idrogeno è una buona idea? E’ solo un modo per l’industria storicamente affermata di affermare la sua posizione dominante, oppure può essere una nuova, diversa unione di innovazioni in virtuosa competizione? E’ una panacea per la difficile situazione energetica dell’umanità, o un falso deus ex machina destinato ad infliggere alla gente delusione e cinismo, o nessuno dei due, o entrambi? I discorsi sull’idrogeno sono confusi ma raramente di moda. I vertici di otto majors del petrolio e dell’automobile hanno affermato che il mondo sta entrando nella fase finale del petrolio per entrare nell’Era dell’Idrogeno. Gli scenari di pianificazione della Royal Dutch/Shell nel 2001 prevedevano un radicale balzo della Cina sull’idrogeno (già in corso): l’idrogeno dovrebbe rifornire un quarto delle auto dei paesi industrializzati nel 2025, mentre l’uso del petrolio, stagnante nel frattempo, inizierebbe a diminuire. Nel Discorso sullo Stato dell’Unione del 2003, il Presidente Bush enfatizzava l’impegno, annunciato l’anno precedente, per sviluppare l’auto a idrogeno e fuel cell (FreedomCAR). Tuttavia, diversi autori hanno recentemente criticato l’energia idrogeno, alcuni severamente (1-12). Alcuni lo ritengono una cortina di fumo per nascondere l’opposizione della Casa Bianca all’aumento rapido dell’efficienza delle auto, usando la tecnologia convenzionale, o temono che l’impegno sull’idrogeno sottrarrà risorse alle energie rinnovabili. Certi sono scettici sull’idrogeno perché lo ha sottoscritto il Presidente, altri perché lo hanno fatto gli ambientalisti. Molti si chiedono “da dove verrà l’idrogeno” e sottolineano che è pulito ed abbondante quanto le fonti di energia da cui viene fatto. La maggior parte delle critiche mostrano errori che meritano un ripasso sui fondamenti dell’idrogeno ; da cui questo testo.
Fatti introduttivi
Al fine di stabilire una base comune da cui esplorare i miti prevalenti sull’idrogeno, iniziamo con sei punti universalmente accettati dagli esperti dell’idrogeno, ma non sempre articolati:
– L’idrogeno costituisce il 75% dell’universo conosciuto, ma non è una fonte di energia come il petrolio, il carbone, il vento o il sole (13). E’ invece un vettore energetico, come l’elettricità o la benzina, un modo per trasportare energia utile verso i consumatori. L’idrogeno è un vettore particolarmente versatile poiché come il petrolio ed il gas, e a differenza dell’elettricità, può essere stoccato in grandi quantità (anche se spesso con un costo di stoccaggio più elevato degli idrocarburi), può essere prodotto da praticamente ogni fonte di energia ed impiegato in quasi tutti i servizi energetici. Come l’elettricità, l’idrogeno è una forma di energia di elevata qualità, al punto che, dato che si converte direttamente in quella, il pioniere delle celle a combustibile, Geoffrey Ballard suggerisce di pensarli insieme, come una forma di bene fruibile, chiamato Hydricity TM.
– La ragione per la quale l’idrogeno non è una fonte di energia è che non viene quasi mai trovato isolato, come il petrolio o il gas naturale. Deve venire liberato dai componenti chimici a cui è legato. Esistono 3 modi per liberare l’idrogeno : usando calore e catalizzatori per “riformare” idrocarburi o idrati di carbonio, o l’elettricità per scindere (elettrolizzare) l’acqua, oppure mediante processi sperimentali, tipicamente basati su luce solare, plasma e microorganismi (14). Tutti gli apparecchi che producono idrogeno su piccola scala o vicino al punto di consumo sono universalmente chiamati “applicativi dell’idrogeno”, per distinguerli dalla tradizionale produzione industriale e su larga scala.
– Le molecole dei combustibili fossili sono combinazioni di atomi di carbonio, idrogeno e diversi altri atomi. Grosso modo, due terzi degli atomi di combustibili fossili bruciati oggi nel mondo sono idrogeno. (Anche se l’idrogeno costituisce una frazione minore dell’energia dei combustibili fossili perché i suoi legami chimici sono più deboli di quelli del carbonio) Il dibattito verte sulla questione se bruciare l’ultimo terzo dei combustibili fossili è il carbonio è sia necessario; se sia più economico ed utile non bruciare quel carbonio ed usare solo l’idrogeno ; e in che misura quell’idrogeno dovrebbe essere sostituito da idrogeno prodotto mediante fonti rinnovabili.
– Usare l’idrogeno come combustibile, invece di bruciare direttamente combustibili fossili, produce acqua (15) (con tracce di ossidi di azoto se impiegato in processi ad alta temperatura). Ciò potrebbe ridurre l’inquinamento locale ed il cambiamento climatico, a seconda della fonte di idrogeno. Tuttavia, quando i giornalisti scrivono che l’idrogeno “pulisce l’aria” (16), si tratta di una semplificazione per mantenere gli inquinanti fuori dall’aria, non togliere quelli già presenti.
– L’idrogeno è il più leggero degli elementi e molecola. L’idrogeno molecolare (due atomi di idrogeno, H2) è otto volte più leggero del gas naturale. In termini di unità di energia contenuta, pesa il 64% in meno della benzina ed il 61% in meno del gas naturale: 1 kg di idrogeno ha circa la stessa energia di un gallone U.S. di benzina (3.68 litri), che ne pesa 2.8 (6.2 libbre) (17). Ma l’altra faccia della leggerezza è la voluminosità. Per unità di volume, l’idrogeno gassoso contiene solo il 30% del gas naturale, considerati entrambi a pressione atmosferica. Anche quando l’idrogeno è compresso 170 volte la pressione atmosferica (170 bar), contiene solo il 6% l’energia dello stesso volume di benzina. L’idrogeno è dunque più vantaggioso quando la leggerezza ha più valore dalla compattezza, com’è spesso il caso per i carburanti della mobilità.
– Una delle sfide maggiori nel giudicare il potenziale dell’idrogeno consiste nel compararlo appropriatamente con gli altri vettori energetici. I combustibili fossili sono tradizionalmente misurati in costo, volume o massa per unità di contenuto energetico.(18). Questo è valido solo se i combustibili cono tutti impiegati in dispositivi simili con efficienze simili, che restituiscano la medesima quantità di servizio energetico. Questo non vale per l’idrogeno. Le celle a combustibile (spiegate oltre nel Mito #6) non sono soggette ai limiti termodinamici applicabili ai motori a scoppio, perché sono motori elettrochimici e non termici. Un’auto a idrogeno a celle a combustibile può infatti, convertire l’energia dell’idrogeno in moto 2-3 volte più efficacemente che non un’auto la benzina in moto: secondo il disegno ed il modo di funzionamento, un buon sistema a celle a combustibile raggiunge il 50-70% di efficienza, idrogeno-elettricità,(19) mentre l’efficienza tipica di un motore d’auto, benzina-albero motore, si aggira intorno al 15-17%.(20) (Entrambi i sistemi incorrono in ulteriori perdite minori alle ruote) Questo significa che si può guidare oltre il doppio con l’equivalente (in contenuto energetico) di un gallone di benzina in idrogeno un’auto a celle a combustibile, rispetto a un gallone in un’auto tradizionale. Ne consegue che dell’idrogeno molto più caro della benzina in unità di energia contenuta può costare uguale in termini di chilometri percorsi. Poiché si compra carburante per avere chilometri, non energia, l’ignorare simili differenze nell’efficienza dell’uso finale è una seria distorsione, che compone gran parte della disinformazione pubblicata sugli alti costi dell’idrogeno. Il vantaggio dell’idrogeno nelle automobili è particolarmente evidente perché le auto vanno spesso a basso regime, quando le celle a combustibile sono al massimo dell’efficienza ed i motori al minimo(21). (L’idrogeno può avere ulteriori vantaggi economici e funzionali al di là il suo impiego efficiente. L’alimentazione di reti digitali negli edifici, mediante celle a combustibile ad idrogeno può garantire valore extra, dato che delle configurazioni in serie di celle possono garantire una affidabilità eccezionale (e.g. la non interrompibilità) , fornendo l’elettricità ad alta qualità che necessitano i computers)(22).
A conferma di questo sesto punto, il DOE americano sostiene che l’idrogeno industriale prodotto e consumato sul posto costa circa 0.71 $/kg.(23) Il che equivale in contenuto energetico a 0.72 $/gallone di benzina (24). Ma per km percorso – l’obiettivo – è equivalente da un terzo alla metà di tale prezzo, i.e. 0.24-0.36 $/gallone di benzina equivalente, a causa della differenza di efficienza di 2-3 volte maggiore di una cella a combustibile rispetto ad un motore a benzina per propellere una macchina. Ovviamente, il prezzo dell’idrogeno consegnato al serbatoio dell’auto sarà molto maggiore. Il DOE, ad esempio, dichiara che il prezzo dell’idrogeno liquido industriale è circa 2.2-3.1 $/kg. Se potesse arrivare al serbatoio ad un prezzo simile, sarebbe equivalente al miglio ad 1 $/gallone di benzina (1 gall. = 3.78 litri). Anche distribuire idrogeno liquido può arrivare a costare molte volte di più che produrlo. (Per fortuna, come vedremo, l’idrogeno gassoso può essere prodotto alle stazioni di rifornimento e messo nelle auto a molto meno di 2 $/kg.) Il prezzo dipende anche dalla purezza dell’idrogeno. Così per valutare il prezzo dell’idrogeno, il costo, il valore o il beneficio consistentemente, abbiamo necessità di conoscere come sarà impiegato, se sarà abbastanza puro per l’applicazione, se viene usato in tale applicazione e quanto del lavoro voluto effettivamente svolge.
Vedi anche H2 Futures. Toward a Sustainable Energy System, di S. Dunn, Worldwatch paper 157, 2001.
Note
1 J. Ball, “Skeptics: Fuel Cells a Long Shot,”Wall St. J., 30 Jan. 2003.
2 Wall St. J. editorial, “Hydrogen Car Hype” 30 Jan. 2003.
3 J. Ball, “Hydrogen Fuel May Be Clean; Getting It Here Looks Messy” Wall St. J., p. A1, 7 March 2003,
http://online.wsj.com/wsjgate?subURI=/article/0,,SB1046990147219522880-
email,00.html&nonsubURI=/article_email/0,,SB1046990147219522880,00.html.
4 G. Easterbrook, “Car Talk: Why Bush’s h-car is just hot air” New Republic 4597:13-15, 24 February 2003.
5 B. Eliasson & U. Bossel, “The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?” Procs. Fuel Cell World (Luzern),
1-5 July 2002, pp. 367-382, European Fuel Cell Forum (Morgenacherstr. 2F, CH-5452 Oberrohrdorf, Switzerland),
posted at www.methanol.org/pdfFrame.cfm?pdf=HydrogenEconomyFinalReport.pdf,
www.evworld.com/databases/storybuilder.cfm?storyid=471, and www.woodgas.com/hydrogen_economy.pdf.
6 G. Gallon, “Hydrogen Energy Economy Wrong Path” The Gallon Environmental Letter 7(6), 14 February 2003,
Montréal, [email protected].
7 L. King, “Stealing the environmental Holy Grail” Tallahassee Democrat, 2 Feb. 2003, p. E1.
8 D.E. Knoll, “Hydrogen Pipedreams” Wall St. J. letter, 13 March 2003.
9 T. & R. Magliozzi (The Car Guys), “Hydrogen cars still way off” The Denver Post, p. 3F, 10 March 2003.
10 D. Morris, “Second Thoughts on a Hydrogen Economy” AlterNet, 24 Feb. 2003, www.ilsr.org/columns/2003/022403.html.
11 P. Schwartz & D. Randal, “How Hydrogen Can Save America” Wired 11.04:5-13, April 2003,
www.wired.com/wired/archive/11.04/hydrogen.html.
12 United States Council for Automotive Research (U.S.CAR), “Hydrogen as a Fuel”
www.uscar.org/Media/2002issue2/hydrogen.htm, downloaded 14 March 2003.
13 Many people who should know better get this wrong. Even ExxonMobil Chairman Lee Raymond, in a talk prepared for the World Gas Conference in Tokyo on 3 June 2003, reportedly called hydrogen an energy “source”
14 A good lay summary of the alternative methods is at pp. 19-22 of B. Kruse et al., Hydrogen “Status and Possibilities, Bellona Foundation report 6-2002, Oslo, 2002, www.bellona.no/en/energy/hydrogen/report_6-
2002/index.html. The theoretical energy needed to split water at 25°C is 1.23 eV, today’s electrolyzers run at
~1.7-1.9 eV, and 1.9 eV corresponds to a visible red wavelength of 650 nm, so “the entire visible spectrum of light has sufficient energy to split water into H2 and O2”; the key is finding an efficient and affordable catalyst. J.A. Turner, Science 285: 687-689 (30 July 1999), at n. 12.
15 In Greek, “hydrogen” means “water creator” Hudor genes
16 See ref. 3.
17 The Lower Heating Value of 1 kg of hydrogen (the value appropriate for use in a fuel cell) is 98.6% of the corresponding LHV of gasoline (115,400 BTU/USgal), or 91% of the Higher Heating Value of gasoline (125,000
BTU/USgal). See note 18.
18 The author often erroneously did the same for hydrogen in the 1970s and early 1980s, and many analysts still do. A smaller but also significant distinction must also be drawn in how energy content is measured for different fuels. This article expresses hydrogen’s energy content at its Lower Heating Value (LHV), 120 MJ/kg, as is appropriate for low-temperature fuel cells. Hydrogen used in a condensing boiler or furnace can yield 18% more energy (the Higher Heating Value or HHV, 142 MJ/kg) because the difference – the latent heat of vaporizing the resulting water into steam – can also be recovered. Natural-gas and gasoline energy content and prices, by convention and in this article, are normally expressed at HHV. At the point of end-use, however, HHV is usually applied only to condensing boilers and furnaces that can recover the energy of condensing steam back into water, while LHV is commonly used for engines, gas turbines, power stations, and fuel cells.
19 Lower figures, around 50% or somewhat less, are sometimes quoted for suboptimally designed systems, particularly those crammed into small volumes and fed with air from inefficient blowers.
20 The Otto (normal gasoline piston) engine is 30-odd percent efficient under ideal conditions, but having to operate over a wide range of speed and torque cuts its average as-used efficiency about in half.
21 The Otto engine is most efficient under its highest loads, which very seldom occur: most of the time, the car uses only a small fraction of the engine’s capacity (about a sixth in highway cruising or a few percent in city driving). In contrast, fuel cells are most efficient at the low loads that dominate automotive operation. Thus the fuel cell is inherently better matched than an Otto engine to the car’s varying loads. Engine-hybrid drive reduces the fuel cell’s advantage, although hybridizing the fuel cell too can partly recover that loss.
22 J.N. Swisher, Cleaner Energy, Greener Profits, RMI, 2002, www.rmi.org/images/other/E-CleanerGreener.pdf. A
well-known example is a large Omaha credit-card processing center whose redundant fuel-cell power supply avoids costly power failures from the grid. Fuel cells also produce direct current, which can be used directly in digital equipment rather than converting it to alternating current and back: see the report of Rocky Mountain Institute’s February 2003 San Jose charrette on superefficient data-center design, www.rmi.org/sitepages/pid626.php.
23 Hydrogen Information Network, www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/hydrogen/faqs.html.
24 At the Lower Heating Value of gasoline (see note 18).
