LA TRANSIZIONE ENERGETICA, L’IDROGENO COME VETTORE ENERGETICO

di A. Iulianelli^[1], M. Gensini^[2]

Introduzione

Nel contesto della transizione energetica, l’idrogeno si afferma come vettore chiave per una società a zero emissioni. Il webinar del 19 maggio 2025, promosso dal Consiglio Nazionale degli Ingegneri in collaborazione con l’International Association for Green Energy (IAGE) e il CNR, ha messo in luce le strategie italiane e le innovazioni tecnologiche nel campo dell’idrogeno e delle membrane.

1. IAGE

L’International Association for Green Energy (IAGE) ha istituito un capitolo italiano (https://www.iage-italy.it) con l’obiettivo di:

• Promuovere la ricerca e la cooperazione internazionale.
• Organizzare eventi scientifici e divulgativi.
• Coinvolgere studenti e giovani ricercatori.
• Sostenere la pubblicazione di special issue su riviste internazionali.

Il board italiano include rappresentanti di CNR, ENEA, Politecnico di Milano, Università di Salerno, Roma Tor Vergata e Calabria. Tra le attività in programma: incontri mensili, partecipazione a conferenze internazionali, promozione sui social media e sviluppo di progetti europei come Horizon Europe.

2. Perché l’idrogeno è così importante per il nostro futuro?

L’idrogeno sta emergendo come uno degli elementi chiave per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione e costruire un sistema energetico più sostenibile. La sua versatilità lo rende un alleato prezioso nella transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio: può essere utilizzato come combustibile, come materia prima industriale e come mezzo per immagazzinare e trasportare energia rinnovabile.

Uno dei suoi principali vantaggi è la capacità di decarbonizzare settori difficili da elettrificare, come l’industria pesante (acciaio, cemento, chimica) e i trasporti a lunga distanza (camion, treni, navi). Inoltre, l’idrogeno verde, prodotto mediante elettrolisi dell’acqua, rappresenta un vettore di energia pulito poiché frutto della trasformazione dell’energia elettrica in eccesso prodotta in modo rinnovabile mediante impianti solari ed eolici, contribuendo alla stabilità della rete elettrica.

L’Unione Europea e molti altri Paesi considerano l’idrogeno un pilastro fondamentale per la strategia di sviluppo energetico sostenibile con l’obiettivo di centrare la neutralità climatica entro il 2050, investendo in infrastrutture, ricerca e produzione. Tuttavia, per realizzare il suo pieno potenziale, sarà necessario ridurre i costi di produzione dell’idrogeno, sviluppare una rete di distribuzione efficiente e garantire che l’idrogeno sia davvero “pulito”.

In sintesi, l’idrogeno non è una soluzione unica, ma un acceleratore fondamentale per un futuro energetico più resiliente, pulito e integrato.

3. I colori dell’Idrogeno: una tavolozza energetica

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo, generalmente va estratto da altre sostanze e il metodo usato per farlo determina il suo “colore” simbolico (i coloro dell’idrogeno sono una suddivisione informale, mentre l’Unione Europea classifica la produzione di idrogeno a livello normativo in “idrogeno rinnovabile” ed “idrogeno a basso livello di emissioni”). Questi colori non indicano l’aspetto fisico dell’idrogeno, ma il suo impatto ambientale e la fonte energetica utilizzata per produrlo.

• Idrogeno grigio: è il più comune e il meno sostenibile. Si ottiene dal gas naturale tramite processo di steam reforming, responsabile del rilascio di grandi quantità di CO₂ nell’atmosfera. È economico, ma contribuisce al cambiamento climatico. Livello tecnologico per la produzione: alto
• Idrogeno blu: esso può essere prodotto mediante steam reforming sia di gas naturale sia da sostanze rinnovabili (quale il biogas), ma con una differenza cruciale: la CO₂ prodotta viene catturata e stoccata (tecnologia CCS). È una soluzione di transizione, meno inquinante dell’idrogeno grigio, ma non completamente priva di emissioni. Livello tecnologico per la produzione: medio
• Idrogeno verde: è il più pulito e promettente. Si produce tramite elettrolisi dell’acqua, usando elettricità da fonti rinnovabili (sole, vento, idroelettrico). Non emette CO₂, ma è ancora costoso e richiede molta energia. Livello tecnologico per la produzione: medio
• Idrogeno turchese: si ottiene dalla pirolisi del metano, che produce carbonio solido invece di CO₂. È una tecnologia emergente, potenzialmente a basse emissioni, ma ancora in fase di sviluppo. Livello tecnologico per la produzione: basso
• Idrogeno rosa: prodotto tramite elettrolisi dell’acqua e facendo uso di energia elettrica prodotta da impianti ad energia nucleare. Ha basse emissioni, ma solleva questioni legate alla sicurezza e alla gestione delle scorie radioattive. Livello tecnologico per la produzione: medio
• Idrogeno bianco: idrogeno naturale presente sulla Terra in alcuni giacimenti.

Questa “tavolozza” di colori aiuta a comprendere meglio l’impatto ambientale delle diverse tecnologie e, sebbene universalmente riconosciuta, non è una definizione a norma di legge.

Secondo la normativa dell’Unione Europea, l’idrogeno rinnovabile è definito come un carburante rinnovabile di origine non biologica (RFNBO) prodotto tramite elettrolisi dell’acqua, utilizzando esclusivamente energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili. Questa definizione è stata formalizzata attraverso due atti delegati adottati nel 2023, nell’ambito della Direttiva sulle energie rinnovabili (RED II) e del piano REPowerEU.

Un principio chiave introdotto è quello dell’“addizionalità”: l’energia rinnovabile usata per produrre idrogeno deve provenire da nuovi impianti entrati in funzione da poco (entro 36 mesi), così da garantire che la produzione di idrogeno non sottragga energia pulita già destinata ad altri usi, ma contribuisca ad aumentare la quota complessiva di energia rinnovabile disponibile.

Inoltre, la normativa stabilisce criteri di correlazione temporale e geografica, imponendo che l’idrogeno venga prodotto solo quando e dove è disponibile sufficiente energia rinnovabile, per evitare squilibri nella rete elettrica e garantire la sostenibilità del processo.

I diversi colori dell’idrogeno hanno ovviamente anche costi diversi.

La sfida del futuro sarà rendere l’idrogeno verde competitivo e accessibile, per alimentare una transizione energetica davvero sostenibile.

3. Le frontiere della ricerca per la produzione di idrogeno

Con l’obiettivo di rendere l’idrogeno una fonte energetica davvero sostenibile e competitiva, la ricerca scientifica sta esplorando una serie di tecnologie emergenti che promettono di superare i limiti delle soluzioni attuali.

I reattori catalitici elettrificati rappresentano una delle innovazioni più promettenti per rendere la produzione di idrogeno più efficiente, compatta e sostenibile. A differenza dei reattori tradizionali, che richiedono il riscaldamento dell’intero sistema tramite fonti esterne, questi reattori utilizzano energia elettrica direttamente applicata al catalizzatore o al supporto per generare calore localizzato, proprio dove avviene la reazione chimica. Questo approccio consente di superare i limiti del trasferimento termico convenzionale, riducendo le perdite energetiche, le dimensioni degli impianti e la necessità di materiali resistenti ad alte temperature.

Nel contesto della Steam Methane Reforming (SMR), ad esempio, l’elettrificazione del catalizzatore permette di raggiungere rapidamente le temperature operative (800–850 °C) direttamente nel letto catalitico, migliorando la conversione e la selettività della reazione. Inoltre, l’uso di fonti rinnovabili per alimentare il riscaldamento elettrico rende il processo più compatibile con gli obiettivi di decarbonizzazione. Questo tipo di intensificazione di processo porta a impianti più compatti, sicuri e flessibili, con minori emissioni di gas serra e ossidi di azoto (NOₓ), e apre la strada a una produzione di idrogeno più pulita e decentralizzata.

Tabella 1 – Vantaggi dei Reattori Catalitici Elettrificati

Parallelamente, si stanno studiando processi biologici per la produzione di idrogeno, come l’impiego di microalghe, cianobatteri o batteri anaerobi capaci di generare idrogeno attraverso la fotosintesi o la fermentazione. Questi sistemi imitano meccanismi naturali e potrebbero offrire soluzioni a basso impatto ambientale, anche se la loro produttività è ancora limitata.

Infine, la fotocatalisi solare diretta rappresenta una delle sfide più ambiziose: utilizzare materiali semiconduttori per catturare la luce solare e scindere direttamente le molecole d’acqua. Questo processo, che imita la fotosintesi naturale, è ancora in fase sperimentale, ma potrebbe rivoluzionare il modo in cui produciamo idrogeno, rendendolo davvero “solare”.

Queste tecnologie, sebbene non ancora mature, aprono la strada a un futuro in cui l’idrogeno potrà essere prodotto in modo più pulito, efficiente e decentralizzato, contribuendo in modo decisivo alla transizione energetica globale.

4. Le membrane: tecnologia chiave per l’idrogeno e i carburanti sintetici

Le membrane svolgono un ruolo cruciale nei moderni processi di produzione e purificazione dell’idrogeno, contribuendo a migliorarne l’efficienza, la selettività e la sostenibilità.

In particolare, le membrane selettive all’idrogeno permettono di separare in modo continuo e diretto l’idrogeno dagli altri gas prodotti durante processi come il reforming del metano o la gassificazione, riducendo la necessità di fasi di purificazione complesse e costose. Questo approccio consente di ottenere un idrogeno ad alta purezza con un consumo energetico inferiore rispetto ai metodi tradizionali. Inoltre, l’integrazione di membrane in reattori ibridi (membrane reactors) permette di combinare reazione chimica e separazione in un unico passaggio, aumentando la conversione e riducendo le emissioni. Le membrane sono anche fondamentali nei sistemi di elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM), dove facilitano il trasporto selettivo degli ioni H⁺, migliorando la compattezza e la reattività del sistema. Grazie alla loro versatilità, le membrane rappresentano una tecnologia chiave per l’intensificazione di processo e per la transizione verso una produzione di idrogeno più pulita ed efficiente.

Tra le applicazioni più promettenti abbiamo:

• il recupero di anidride carbonica (CO₂) e idrogeno (H₂) da correnti gassose ricche in questi componenti.
• la produzione di biometano da biogas.
• la sintesi di DME (dimetiletere) da metanolo in reattori a membrana.
• la realizzazione di reattori fotocatalitici per la valorizzazione dell’anidride carbonica in presenza di luce e catalizzatori avanzati.

Conclusione

L’Italia si posiziona come protagonista nella transizione verso un’economia a idrogeno, grazie a una rete di ricerca solida, tecnologie innovative e una visione condivisa. Le nuove tecnologie rappresentano una sfida per per rendere l’idrogeno e i carburanti sintetici una realtà sostenibile e competitiva.

Le sfide principali sono:

• Riduzione dei costi di produzione.
• Sviluppo di tecnologie scalabili.
• Normative chiare e incentivi per favorire l’adozione.

[1]     CNR – Istituto per la Tecnologia delle Membrane, Primo Ricercatore – Presidente di IAGE Italy

[2]     CNR – Area Territoriale della Ricerca di Cosenza, Primo Tecnologo – Membro del board di IAGE Italy