Idrogeno: CO2 da problema a risorsa

12 Apr 2021

Idrogeno: è questa la risposta al problema della troppa CO₂ che produciamo e che produrremo nei prossimi decenni. È da qui che parte la strada per il recupero e il riutilizzo di questa sostanza così particolare, da una parte accusata dei mali del pianeta, dall’altra fondamentale per la vita sulla Terra. È il tema di cui parlo nel libro “W la CO₂. Possiamo trasformare il piombo in oro?” (Il Mulino, 2021). Ma andiamo con ordine, e vediamo alcune importanti premesse.

I fatti

Non ce ne rendiamo conto, ma nel breve viaggio da Milano alla casa di vacanza in Liguria una normale auto diesel emette 30 chili di anidride carbonica (CO₂), come il peso delle valigie che ci portiamo appresso. Nel corso dei 200.000 chilometri di vita, la stessa auto avrà emesso 32 tonnellate di CO₂. Noi stessi, con la respirazione emettiamo ogni giorno un chilo di CO₂, il che equivale a 2,5 miliardi di tonnellate emesse dall’intero genere umano ogni anno. Ma la CO₂ è una molecola strana, non ha odore, non è colorata, è impalpabile. I nostri sensi non la percepiscono e quindi per noi semplicemente non esiste.

Da quando ci si è resi conto che un aumento progressivo della concentrazione di CO₂ nell’atmosfera provoca danni ambientali e climatici, la CO₂ è divenuta un nemico da combattere, un pericoloso inquinante da eliminare. Ma la CO₂ è vita, è la sorgente insostituibile del carbonio di cui è fatta la biomassa del Pianeta, è la riserva di materia prima di cui è fatto il mondo vivente, ed è pure quello che di noi resterà una volta che avremo concluso il nostro percorso su questa terra. Sì, perché la maggior parte del nostro corpo è fatta di acqua ma poi viene il carbonio, l’elemento fondamentale di cui sono fatte le proteine, i carboidrati, i lipidi, e tutte le sostanze essenziali per l’esistenza di un organismo vivente. L’uomo esiste grazie all’azione fondamentale di quel processo che è la fotosintesi, un insieme estremamente complicato di reazioni chimiche attraverso cui due sostanze semplici e fondamentali per la vita, l’acqua e l’anidride carbonica, si combinano grazie all’azione della luce a formare catene complesse di atomi di carbonio. È parte fondante del ciclo del carbonio, un processo che dura da 3,5 miliardi di anni e in cui la CO₂ si forma e si consuma in un ciclo continuo ma essenziale, senza il quale la vita sul Pianeta sarebbe destinata a spegnersi in brevissimo tempo.

La storia

Con l’avvento della rivoluzione industriale, il crescente fabbisogno di energia determina un consumo crescente di combustibili fossili, carbone prima, petrolio e gas naturale poi, i cui prodotti finali sono proprio CO₂ e acqua. È inevitabile che prima o poi questa CO₂ finisca per accumularsi nell’atmosfera. A rendere questo evidente è, verso la fine degli anni ’50, un ricercatore americano, Charles Keeling. Keeling mette a punto uno strumento abbastanza accurato per misurare basse concentrazioni di CO₂ nell’aria, parliamo di parti per milione (ppm), e nel 1958 inizia le sue misure. Già dopo tre anni è evidente che la CO₂ sta progressivamente aumentando, sia pur lentamente. All’epoca, la concentrazione di CO₂ nell’aria era intorno alle 315 ppm. Poi è cresciuta in modo regolare, sino ad arrivare alle 415 ppm del 2019 (si registra una brusca frenata nel 2020 per via della pandemia del Covid). La CO₂ non è tossica, almeno alle basse concentrazioni, altrimenti non potremmo bere birra, acqua gassata e prosecco. Ma ha un altro problema, meno evidente e per questo più insidioso: tende a catturare la radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre, e riemetterla, impedendone la dissipazione. È il famoso “effetto serra”.

L’allarme

Il primo a realizzare che la CO₂ ha un effetto “riscaldante” fu il giovane e brillante matematico Joseph Fourier che nel 1824 sviluppò dei calcoli la cui spiegazione poteva stare solo in un effetto riscaldante dei gas presenti in atmosfera. Ma per lungo tempo l’effetto del modesto accumulo di CO₂ in eccesso viene ritenuto poco rilevante ai fini climatici. Qualche sospetto in tal senso comincia a sorgere negli anni ’60 del Novecento, quando i primi modelli matematici mostrano che, estrapolando i dati, si va verso un progressivo riscaldamento del Pianeta. Seguono anni di intensi dibattiti, e anche di campagne di contro-informazione orchestrate soprattutto dalle grandi compagnie petrolifere in America, ma non solo.

A lungo la questione resta in dubbio. Una vera e propria svolta avvenne tra la fine degli anni ’90 e i primi anni del nuovo secolo. Inizia una serie di misure fatte sui ghiacci profondi dell’Antartide. Quando la neve si deposita, ingloba al suo interno minuscole particelle di aria. Gli strati di neve e poi di ghiaccio che si formano forniscono quindi una sorta di stratigrafia dove ai livelli più profondi si trovano campioni di atmosfera terrestre vecchi di centinaia di migliaia di anni. Grazie a nuove tecnologie diviene possibile estrarre campioni di ghiaccio a 3-4000 metri di profondità e analizzare la composizione dell’aria e la variazione della temperatura media su un arco di 800.000 anni. Con un risultato sorprendente e preoccupante al tempo stesso: in 800.000 anni la concentrazione di CO₂ è rimasta sempre tra 180 e 300 ppm, molto inferiore a quella attuale (415 ppm). Dalla comparsa dei Sapiens, 200.000 anni fa, la concentrazione di CO₂ non è mai salita al di sopra delle 300 ppm. Da qui l’allarme, giustificato, e finalmente raccolto anche a livello internazionale dai vari protocolli di Tokyo, Parigi ecc. Le emissioni di CO₂ vanno bloccate prima che sia troppo tardi.

Gli scenari

Oggi i combustibili fossili, la causa principale del riscaldamento globale, producono l'80% della nostra energia e l’86% di tutte le emissioni antropiche di CO₂, oltre 35 miliardi di tonnellate ogni anno (il resto, circa 5,5 miliardi di tonnellate, è dovuto al consumo di suolo). Se con azioni drastiche riusciremo ad arrivare a emissioni zero di CO₂ entro il 2050, la temperatura media del Pianeta a fine secolo aumenterà comunque di 1.0 °C; con azioni forti l’aumento di CO₂ sarà contenuto in 540 ppm, e la temperatura salirà di 1,5-1,8 °C; con azioni blande potremo arrivare a 670 ppm con un aumento di 2,2 °C, mentre se non facciamo nulla raggiungeremo 1000 ppm con un aumento di temperatura media di 4 °C. Catastrofico. Ed è bene sapere che un terzo della CO₂ prodotta oggi sarà ancora in atmosfera tra 100 anni, un quinto tra 1000 anni e una parte la troveremo ancora dopo 10.000 anni. Inoltre la CO₂ disciolta in acqua produce un aumento di acidità e già sono stati osservati effetti molto negativi su una parte della fauna e flora acquatiche.

Emissioni zero?

Sin qui il problema, ben noto ma che è bene riassumere nelle sue forme generali. Importante però per far capire due cose. Da una parte dovremo smettere di produrre CO₂ nei prossimi decenni, cosa che però è molto difficile e forse impossibile, come sei spiegherà tra poco; dall’altra dovremo cominciare a cercare di ripulire l’aria da tutta la CO₂ che si è accumulata in due secoli di utilizzo massiccio dei combustibili fossili. La sfida è gigantesca. Circa il primo punto, anche quando saremo riusciti ad effettuare una transizione energetica completa alle fonti rinnovabili, resteranno varie attività umane che producono CO₂. Innanzitutto il consumo di suolo. Una popolazione mondiale crescente e sempre più urbanizzata sottrae terreno alle foreste, fondamentali nel recupero della CO₂ dall’aria grazie alla fotosintesi; poi la produzione di cemento, in costante aumento, una delle attività umane con la maggiore produzione di CO₂; inoltre ci potrebbe volere molto tempo prima di avere navi e aerei in grado di viaggiare con batterie. L’aviazione civile dovrà utilizzare il cherosene ancora molto a lungo, sicuramente ben oltre il fatidico 2050. Infine, la produzione di molti dei beni che utilizziamo, dalle fibre sintetiche ai farmaci, dai fertilizzanti alle materie plastiche, si basa su processi che partono dal petrolio e dai suoi derivati e producono inevitabilmente CO₂. Quindi, azzerare le emissioni di CO₂ è di fatto impossibile. Potremo ridurle fortemente, ma non andare a zero.

La fotosintesi artificiale

Ecco che si pone il problema del riutilizzo. In fin dei conti, come dicevamo all’inizio, la CO₂ è una “preziosa” materia prima. Come fare? Una via possibile, a lungo esplorata e ancora oggetto di studio, è quella di simulare i processi di fotosintesi naturale attraverso dei sistemi artificiali, dei fotocatalizzatori in grado di catturare la luce solare e usarla per trasformare CO₂ e acqua in prodotti utili come metanolo (CH₃OH), o addirittura metano o altri idrocarburi. Esempi di successo e prototipi esistono da un po’ di anni ma per ora l’efficienza dei processi di fotosintesi artificiale è troppo bassa per essere competitiva sul piano economico. Non è così sorprendente: anche la fotosintesi naturale non è poi tanto efficiente, essendo in grado di convertire solo lo 0,1% dell’energia radiante catturata, ma il tutto è compensato dalla enorme quantità di biomassa presente sul Pianeta. La ricerca nel campo della fotosintesi artificiale quindi continua nella speranza di trovare nuovi materiali in grado di migliorare sensibilmente le efficienze del processo.

L’idrogeno

La possibilità di riutilizzare la CO₂ oggi si basa su un’altra sostanza di importanza strategica: l’idrogeno. Combinando la CO₂ con l’idrogeno attraverso reazioni ben note è possibile produrre sostanze utili, inclusi veri e propri combustibili. Ma c’è un problema. Oggi si producono al mondo circa 70 milioni di tonnellate di idrogeno ogni anno per varie applicazioni industriali, la principale delle quali è la sintesi dell’ammoniaca (NH₃), alla base dei fertilizzanti e quindi dei prodotti agricoli. Ma l’idrogeno oggi viene prodotto a partire dal metano con un processo chiamato steam reforming, in cui alla fine oltre a idrogeno si produce anche CO₂. È l’idrogeno grigio di cui ogni tanto si parla, che diventa blu se la CO₂ prodotta viene poi sequestrata e non immessa in atmosfera. Ma è un circolo vizioso. Per riutilizzare la CO₂ serve l’idrogeno, l’idrogeno lo ricaviamo dai combustibili fossili generando CO₂, e siamo daccapo.

Tutto cambia se l’idrogeno viene prodotto per un'altra via, totalmente sostenibile e davvero green: l’elettrolisi dell’acqua. Si tratta di un processo scoperto per caso all’inizio dell’Ottocento da due chimici inglesi, Anthony Carlisle e William Nicholson, dove applicando una differenza di potenziale a due elettrodi si può scindere l’acqua nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno. Se l’energia elettrica necessaria proviene da fonti rinnovabili (solare, eolico, ecc.) l’idrogeno viene prodotto in modo sostenibile, senza generare CO₂. È il cosiddetto idrogeno verde, l’unico che potrà veramente cambiare il paradigma. Grazie alla crescita costante della produzione di energia elettrica con fonti rinnovabili e al miglioramento dei processi, il costo di produzione dell’idrogeno verde sta scendendo dai 4-5 euro al chilo di qualche anno fa ai 2,50 euro, avvicinandosi a quello del tradizionale idrogeno grigio, che si aggira attorno a 1-1,5 euro al chilo. Ma attenzione: nel costo dell’idrogeno grigio non sono inclusi i costi ambientali, bensì solo quelli della materia prima, metano o altri idrocarburi. È ora invece di mettere in conto tutti i costi, non solo quelli estrattivi.

La chimica

Con la disponibilità di idrogeno verde a costi competitivi si apre la strada per il riutilizzo della CO₂. Ci sono vari processi chimici in parte già noti, in parte da migliorare, capaci di trasformare questa stabile molecola in prodotti utili. Ad esempio, un primo stadio consiste nel decomporre la CO₂ trasformandola in monossido di carbonio, CO, assai più reattivo. Già negli anni ’30 del Novecento i chimici tedeschi Fischer e Tropsch avevano messo a punto un processo per produrre benzina dal carbone, di cui la Germania era ricca, passando prima per l’ottenimento di questo importante intermedio, il CO. Esistono al mondo alcuni impianti per la produzione di benzine con la sintesi Fischer-Tropsch, dove il CO viene fatto reagire con il solito idrogeno. In altri casi la reazione tra CO₂ e H₂ è diretta, e porta ai prodotti desiderati. Un impianto di questo tipo esiste da una decina di anni in Islanda, altri stanno nascendo. Quindi, datemi l’idrogeno, e solleverò il mondo.

La cattura

Resta però un problema da risolvere, e non piccolo. Catturare la CO₂ da impianti dove viene prodotta in concentrazione elevata, come impianti industriali, cementifici, ecc. è possibile ed economicamente sostenibile. Catturare la CO₂ dall’atmosfera, dove è presente in grandi quantità ma in forma molto diluita, parliamo di ppm, è un po’ come individuare qualche centinaio di persone in una popolazione di un milione di abitanti. Tutt’altro che facile. Occorre filtrare grandi quantità di aria, separare le piccole quantità di CO₂, ma con elevati costi energetici. Qui la ricerca si sta concentrando su nuovi materiali in grado di assorbire selettivamente la CO₂, e separarla dal resto delle sostanze presenti nell’aria. La strada è lunga, e non è detto che si possa arrivare a una soluzione, mentre la cattura da impianti ad elevata concentrazione è già tecnicamente alla portata.

In conclusione, la disponibilità di sufficiente energia elettrica da fonti rinnovabili offre la possibilità di produrre idrogeno per elettrolisi dell’acqua. Vari progetti e impianti sono in via di realizzazione in giro per il mondo. L’idrogeno ha vari usi, e potrebbe anche servire direttamente da combustibile, grazie alle celle a combustibile con cui si possono azionare auto e camion. Ma l’idrogeno è pure una importantissima molecola che può essere fatta reagire con la CO₂ per produrre varie sostanze essenziali. Di CO₂ continueremo a produrne, ed è destinata a restare a lungo in atmosfera. Imparare a riutilizzarla e trasformarla è una sfida che possiamo e dobbiamo vincere.