Idrogeno da biomasse e sue applicazioni

In uno scenario energetico mondiale sempre più in crisi, segnato dal decremento della disponibilità dei combustibili fossili (il cui utilizzo emette gas ad effetto serra e altre sostanze inquinanti), sta acquisendo sempre più interesse l’idea di utilizzare l’idrogeno come “combustibile del futuro”.

Attualmente la maggior parte dell’idrogeno è prodotto a partire da risorse non rinnovabili, in particolare mediante il processo di steam reforming degli idrocarburi; questo metodo è stato talmente consolidato negli anni che risulta, dunque, il più economico. Dal punto di vista ambientale, tuttavia, la produzione di idrogeno a partire da fonti fossili (per quanto vanti un risparmio economico) contribuisce notevolmente al rilascio di gas ad effetto serra e altri inquinanti in atmosfera, come suddetto.

In questa prospettiva, l’acqua si candida come un’allettante materia prima per la produzione di idrogeno (avendo due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, come è noto). Essendo libera da specie carboniose, azotate o solforate, l’acqua sembrerebbe ideale per la produzione di idrogeno, contribuendo alla riduzione delle emissioni inquinanti dei suddetti processi fossil-based; tuttavia, il processo necessario per la conversione è di natura elettrolitica e questo comporta un aumento del costo finale, perché bisogna fornire input esterni al processo.

Negli ultimi anni i ricercatori sono all’opera per ottimizzare la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili, in particolare mediante gassificazione o dark fermentation di biomasse.

Le biomasse sono una fonte rinnovabile, disponibile e si rinnovano con tempi nettamente inferiori rispetto a quelli dei combustibili fossili. In generale, si definisce “biomassa” la frazione biodegradabile di una vasta varietà di prodotti e rifiuti: “prodotti e rifiuti di origine biologica provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani” [1].

La gassificazione è un processo chimico (che avviene a temperature superiori ai 700 °C) che converte substrati ricchi in carbonio in monossido di carbonio, idrogeno e altri composti gassosi; in questo caso si parla di syngas.

Con il termine dark fermentation, invece, si indica la conversione mediante fermentazione (in assenza di luce) di substrati organici in bioidrogeno. Il processo è operato da diversi consorzi batterici attraverso una serie di reazioni biochimiche: proprio per questo motivo si parla di bioidrogeno (produzione biologica). In questa prospettiva, i batteri del genere Clostridium sono considerati molto promettenti perché producono idrogeno con un alto tasso di produzione e sono in grado di formare endospore che li rendono maneggevoli dal punto di vista industriale [2].

L’utilizzo di biomasse di varia natura per la produzione biologica di idrogeno può avere impatti economici, politici, e anche ambientali [3]. Anche in questo caso, però, bisogna tener conto sia dei costi economici sia dei costi ambientali: il costo di produzione di bioidrogeno da biomassa dipende fortemente dal costo della materia prima [3], perciò potrebbe essere ragionevole utilizzare biomasse di scarto. Queste ultime necessitano di trattamenti di smaltimento, con un conseguente costo economico e ambientale; nel suddetto caso, invece, diventano esse stesse una risorsa da poter sfruttare per la produzione di energia (materia prima secondaria). Inoltre, utilizzando le sopracitate biomasse l’emissione di CO₂ sarebbe zero in quanto la CO₂ emessa durante la produzione di energia dalle biomasse è pari a quella assorbita durante la crescita delle stesse [4].

Ad esempio, uno studio recente [5] pone l’Arundo donax (la canna comune) come un’interessante soluzione per la produzione di biomassa lignocellulosica; infatti, i limitati input necessari alla coltivazione la rendono adatta a terreni anche con condizioni marginali, talvolta estremi (scarsità di acqua, elevata salinità,). La ridotta esigenza di apporto di azoto, e dunque di fertilizzante, determina un beneficio ambientale e una sostanziale riduzione dei costi di coltivazione. Tutto questo si traduce, chiaramente, in un minor impatto ambientale.

In riferimento a questo discorso (e alle emissioni di CO₂ considerando il processo nella sua interezza), è bene sottolineare che anche i processi biologici necessitano di input esterni, quindi un’analisi LCA dell’intero processo produttivo può fornire dati concreti sulla sostenibilità del processo e sul suo impatto ambientale.

Anche l’interesse politico verso il bioidrogeno sta aumentando, soprattutto perché l’utilizzo di idrogeno come vettore energetico produce solo acqua come sottoprodotto, e questo favorisce anche la sensibilizzazione dell’opinione pubblica.

Per quanto riguarda le sue applicazioni, il bioidrogeno può essere utilizzato per l’alimentazione di Fuel Cells, sistemi molto diversi dai comuni motori a combustione interna. Una Fuel Cell è un dispositivo elettrochimico che converte in maniera diretta l’energia chimica di un combustibile in energia elettrica. Il principio di funzionamento è molto simile a quello delle comuni pile (non a caso sono anche conosciute come “pile a combustibile”). Tuttavia, rispetto ad esse, i due elettrodi non subiscono modifiche di struttura durante il funzionamento, ma fungono da supporto alle reazioni. In altre parole, mentre la comune pila “si scarica” perché il materiale degli elettrodi dopo un certo tempo si esaurisce, la Fuel Cell è in grado di funzionare finché vengono alimentati i reagenti (tipicamente idrogeno ed ossigeno) al dispositivo. Le Fuel Cells presentano notevoli proprietà: non inquinano, hanno alti rendimenti energetici, non fanno rumore e non presentano parti rotative in movimento (che potrebbero rompersi con annessi costi di riparazione). Tuttavia, ad oggi, gli svantaggi sono molteplici: gli elettrodi delle Fuel Cells sono perlopiù in platino, materiale molto costoso e di facile avvelenamento da monossido di carbonio e zolfo (le cui tracce derivano dal processo di conversione biologica e dai substrati di partenza utilizzati); inoltre, la durata di vita è decisamente molto bassa rispetto ai comuni sistemi di potenza.

In definitiva, il bioidrogeno (al pari di altri biocombustibili) potrebbe contribuire a segnare una svolta decisiva per lo scenario energetico mondiale del futuro, fornendo alle generazioni future (in chiave sviluppo sostenibile) un ambiente sicuramente più “pulito”.

Articolo a cura di Giuseppe Sdanghi, Ciro Florio

Bibliografia
[1] Art.2 Direttiva 2009/28/CE
[2] Krupp M., Widmann R.
Biohydrogen production by dark fermentation: Experiences of continuous operation in large lab scale.
International Journal of Hydrogen Energy, 2009; 34(10):4509-4516. DOI:10.1016/j.ijhydene.2008.10.043
[3] Mustafa Balat, Mehmet Balat
Political, economic and environmental impacts of biomass-based hydrogen.
International Journal of Hydrogen Energy, 2009; 34(9):3589–3603. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.02.067
[4] Biomasse: Impatto ambientale
http://www.energoclub.org/page/biomasse-impatto-ambientale
[5] G. Toscano, D. Pirozzi, G. Zuccaro, A. Ausiello, L. Micoli, M. Turco
Produzione di bioidrogeno mediante dark fermentation di biomasse agricole
http://wpage.unina.it/giutosca/ricerca/bioidrogeno_A3.pdf