Produrre idrogeno verde mediante elettrolisi dell'acqua: per fare il punto sulle opportunità e sulle sfide che contraddistinguono questo settore, i ricercatori del dipartimento di Scienza dei Materiali hanno dato appuntamento a tutti gli attori coinvolti il 13 giugno in Bicocca, con il workshop "Hydrogen's Role from academy to industry".
Alla comprensione dello stato attuale della ricerca, tra sviluppo tecnologico e prospettive applicative, ci guidano i professori Carlo Santoro e Piercarlo Mustarelli.
Per quali utilizzi viene impiegato l’idrogeno? Quanto incide la produzione dell’idrogeno definito “verde”?
Piercarlo Mustarelli – Le applicazioni dell’idrogeno sono molteplici, può essere impiegato come fonte di energia per il funzionamento dei veicoli, auto e treni, assumendo quindi un grande rilievo per tutto il comparto della mobilità, pubblica e privata. Non solo, al momento, esistono diversi impieghi finalizzati alla produzione di una serie di prodotti: per esempio l’ammoniaca, il metanolo e i fertilizzanti. È importante anche nella lavorazione dell’acciaio.
L’idrogeno allo stato puro non è facilmente reperibile in natura sulla Terra, se non in piccole quantità, dal momento che si presenta combinato ad altri elementi chimici; deve quindi essere ricavato attraverso complessi procedimenti.
La maggior parte dell’idrogeno viene ricavato dagli idrocarburi, ed in particolare da gas metano, un sistema che però comporta il rilascio di anidride carbonica. Questo prodotto viene convenzionalmente denominato “idrogeno grigio”. L’idrogeno definito “verde” è invece prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, scindendo idrogeno e ossigeno per mezzo di elettrolizzatori che impiegano energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili, quindi senza emissioni nocive nell’ambiente.
L’Unione europea con il Green Deal si è posta come obiettivo la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. La decarbonizzazione del settore energetico passa anche attraverso la produzione di idrogeno verde che però attualmente rappresenta solo il 4% della produzione totale, ancora davvero troppo poco rispetto al fabbisogno complessivo.
Il workshop ha riunito ricercatori di fama internazionale e industrie coinvolte nella filiera dell'idrogeno verde: cosa è emerso dagli interventi?
Carlo Santoro – Abbiamo voluto coinvolgere colleghi di diversa nazionalità per un confronto aperto, focalizzato sulle attività che questi studiosi stanno portando avanti in collaborazione con realtà industriali e i propri governi.
Negli Stati Uniti, sia in California che in Connecticut sono attive numerose iniziative sull’idrogeno. Il professor Plamen Atanassov dell’University of California Irvine ha presentato l’Hydrogen Hub ARCHES in California, il più grande degli Stati Uniti finanziato per 12.5 miliardi di dollari in un mix di finanziamenti pubblici e privati. Sulla costa est americana, numerose attività sull’idrogeno sono state presentate con il piano ambizioso della Presidente della University of Connecticut, professoressa Radenka Maric: trasformare il campus universitario e farlo diventare carbon neutral nel 2030 e carbon negative nel 2040. Il professor Marian Chatenet, INP Grenoble, ha presentato le attività di ricerca che stanno avvenendo nell’est della Francia ed anche le numerose azioni di formazione che l’università sta portando avanti per formare gli scienziati del futuro in tecnologie green. La dottoressa Evelina Slavcheva ha mostrato le attività svolte in Bulgaria con la costruzione della prima stazione di rifornimento ad idrogeno mobile costruita in Bulgaria.
Abbiamo inoltre coinvolto realtà industriali lombarde e italiane per presentare le loro attività sul tema idrogeno e capire le possibili necessità ed interazioni con il mondo accademico. Le sei aziende hanno mostrato i loro progetti e le attività ad ampio respiro, sottolineando la necessità di un continuo confronto costruttivo con le università e i centri ricerca. Alcune di queste aziende hanno dottorati di ricerca in collaborazione con il Dipartimento di Scienza dei Materiali e un progetto PNRR su celle a combustibile (PERMANENT).
Il dialogo costante con i protagonisti del settore è fondamentale anche per capire le esigenze in campo industriale e favorire la nascita e il consolidamento di idee e progetti comuni.
È possibile tracciare un bilancio relativo alle Filiere dell'Idrogeno di Regione Lombardia di cui fa parte anche l’Università di Milano-Bicocca?
Piercarlo Mustarelli - Le filiere approvate da Regione Lombardia hanno proprio lo scopo di supportare e sviluppare le infrastrutture e la rete regionale della produzione e della formazione, unendo gli sforzi della ricerca al tessuto industriale per creare valore e innovazione.
Il coordinamento e il supporto, anche a livello nazionale, forniscono una cornice più stabile per rendere più efficaci gli sforzi e le attività dei tanti attori coinvolti che altrimenti risulterebbero meno visibili.
Due sono le Filiere dell'Idrogeno riconosciute da Regione Lombardia di cui fa parte anche il nostro Ateneo. La prima, guidata da H2Energy s.r.l., vede industrie, università e centri di ricerca accomunati dall’intento di creare la filiera per costruire elettrolizzatori. La seconda filiera è guidata da ICIM group ed è incentrata sulla formazione relativa alle tematiche inerenti l’idrogeno. In entrambi i casi, iniziali interazioni tra industrie e mondo accademico hanno permesso di iniziare a conoscersi, ricercare finanziamenti e portare avanti eventuali attività progettuali.
Quali sono le sfide attuali? Su cosa si concentra la vostra ricerca?
Carlo Santoro – Il nostro Dipartimento lavora su diversi fronti, con più gruppi di ricerca che operano in collaborazione con altri enti, università e con il mondo industriale. Molte attività sono chiaramente legate al miglioramento degli elettrolizzatori, l’unica tecnologia in grado di soddisfare le esigenze industriali di produzione di idrogeno, ai fini del superamento dei limiti della tecnologia attuale. Gli aspetti problematici si presentano a diverse scale spaziali, a livello atomico così come a livello di prestazioni, integrazione dei materiali e loro durabilità.
Uno degli obiettivi è trovare una via alternativa ad alcuni elementi critici, scarsi e costosi come platino e iridio, utilizzati come elettrocatalizzatori nella conversione elettrochimica dell'energia e nella produzione elettrochimica di idrogeno. Si tratta di un serio ostacolo per lo sviluppo industriale e commerciale: trovare una soluzione più accessibile apporterebbe maggiore autonomia, resilienza e un impulso sostanziale allo sviluppo dell’energia verde. Per esempio, stiamo lavorando sull’utilizzo di materiali a base di nichel, ferro e cobalto per sostituire iridio e platino negli elettrolizzatori alcalini. Inoltre, stiamo concentrando i nostri sforzi per sostituire il platino usato nel catodo delle celle a combustibile usando elettrocatalizzatori a base di ferro.
Piercarlo Mustarelli - Su altri fronti, l'attività di ricerca si concentra sullo studio strutturale e sulle caratteristiche funzionali di materiali innovativi per la conversione elettrochimica dell’energia mediante celle a combustibile. In particolare, l’attenzione è focalizzata sullo studio di membrane polimeriche a conduzione ionica costituite da materiali più resistenti e privi di elementi chimici potenzialmente tossici come il fluoro.
Carlo Santoro – Un’ulteriore frontiera è rappresentata dalla durata dei dispositivi; è necessario continuare a migliorare l’affidabilità e la stabilità temporale delle celle a combustibile in termini di anni. Sia le celle a combustibile sia gli elettrolizzatori devono essere in grado di lavorare in modo continuo o discontinuo per almeno una decina di anni per avere una penetrazione importante nel mercato ed essere davvero dei pilastri della rivoluzione energetica green a cui stiamo assistendo e di cui l’Università degli Studi di Milano-Bicocca vuole essere protagonista.
