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INTRODUZIONE L'ultimo Piano Energetico Nazionale con gli altri paesi dell'Unione Europea. 10.000 megawatt contro gli 0,2 del 1997. messo a punto in Italia risale al 1988. Era L'accordo prevede una riduzione delle e- Così l'eolico soddisfa il 7,8 per cento del passato un anno dal referendum abrogati- missioni di gas serra del 6,5 per cento entro fabbisogno nazionale di energia elettrica, le e con i vo sul nucleare e il prezzo del petrolio si era il 2012, sulla base delle emissioni rilevate che sommato al nucleare e all'idroelettrico stabilizzato tra i 20 e i 30 dollari al barile. nel 1990. Alla fine del 2003, le nostre emis- fa più del 20 per cento di energia a emissio- Di cambiamenti climatici globali tutto sioni erano aumentate del 12 per cento. E il ni zero (contro il nostro miserabile 6 per sommato si parlava ancora poco, anche se piano approvato il 13 ottobre da Ministero cento, in cui idroelettrico e geotermico fan- resa dei in quello stesso 1988 veniva fondato l'In- dell'Ambiente e Ministero dello Sviluppo no ancora la parte del leone). Ma non è tergovernmental Panel on Climate Change per ridurre le emissioni di CO2 da 224 milio- tutto. Gamesa, azienda spagnola avviata (IPCC). Dieci anni dopo, grazie anche al ni di tonnellate all'anno nel triennio 2005- nel 1976 per la progettazione di impianti lavoro dei 2500 scienziati e tecnici del- 2007 a 200 nel periodo 2008-2012 non industriali, ha iniziato a seguire il mercato l'IPCC, veniva siglato il Protocollo di Kyo- basterà a farci rispettare l'accordo. dell'eolico nel 1995. Oggi occupa la secon- to, entrato in vigore il 16 febbraio 2005. da posizione mondiale per fabbricazione, Singolare che un paese che dipende dal Impariamo dagli altri vendita e installazione di aerogeneratori, petrolio per il 49 per cento dei suoi consu- con una quota di mercato del 18,1 per cen- Tra riscaldamento globale e fine del petrolio, ecco perché l'Italia deve cambiare rotta mi energetici e dal gas naturale per un Si potrebbe obiettare che con la Legge to. Dal 1997 al 2004 il fatturato è passato e puntare a una politica energetica che veda protagonisti sia il pubblico sia il privato altro 35 per cento non si sia preoccupato n. 10/1991 la giurisdizione in materia di da 217 a 1745 milioni di euro, l'utile da 8,5 per quasi vent'anni di darsi una politica pianificazione energetica veniva trasferita a 221 milioni e il personale da 1900 a 7200 DI MARCO CATTANEO energetica coerente. Singolare, inspiega- alle Regioni. Ma anche se presto o tardi unità. È così che la Spagna oggi produce bile e irresponsabile, per diverse ragioni. quasi tutte si sono dotate di un piano ener- energia pulita, reddito e know-how che getico (manca solo la Sicilia), l'assenza di esporta in tutto il mondo. Tra tre fuochi una politica nazionale omogenea ha crea- to e continua a creare problemi. Con l'impegno di tutti Primo: la stragrande maggioranza dei Un immobilismo di vent'anni - a essere combustibili fossili che consumiamo è ottimisti - non si colma con una leggina e Le opportunità ci sono. Ne trovate tante d'importazione. E che la quasi totalità del un po' di buona volontà. Siamo clamoro- nelle pagine che seguono. Ma per affron- nostro fabbisogno energetico sia soddisfat- samente in ritardo, e non possiamo spera- tare un futuro che arriverà in fretta - se si ta dal petrolio dell'OPEC o dal gas libico e re in soluzioni a buon mercato. parla di politica energetica il 2020 è doma- russo - la crisi dell'inverno scorso tra Se proprio non siamo in grado di fare da ni mattina - occorre muoversi subito e Mosca e Kiev è stata un importante cam- soli, potremmo almeno cercare di copiare. coinvolgere tutte le forze del paese. La poli- panello d'allarme - non è una buona noti- Altrove ci sono storie di successo che non tica, per cominciare, deve prendere decisio- zia, data la cronica instabilità politica di solo hanno permesso di ridurre la dipen- ni importanti e la ricerca scientifica deve molte aree di produzione. denza dai combustibili fossili, ma hanno fare la sua parte, come pure l'industria. Secondo: dopo avere avvicinato gli 80 anche generato un impatto positivo sul- Le risorse per cambiare rotta non man- dollari al barile, oggi il prezzo del petrolio l'economia. Un esempio? In Brasile, leader cano. Università, enti di ricerca e aziende è sceso sotto i 60 dollari. Ma c'è poco da mondiale nella produzione di biocarburan- lavorano a progetti innovativi di valore stare allegri. Se le previsioni sul picco del ti, il 40 per cento dei combustibili per tra- assoluto. Ma poi, se è vero che siamo nel- petrolio sono corrette, tra qualche anno la sporti viene dall'etanolo estratto dalla can- l'era in cui la merce più preziosa è la cono- produzione comincerà a calare. E dato che na da zucchero, per un totale di 15 miliar- scenza, bisogna fare in modo che gli inve- la domanda continuerà a crescere, per l'au- di di litri all'anno. Il paese prevede di rad- stimenti in ricerca si trasformino in attività mento dei consumi e per la crescita dei pae- doppiare la produzione di canna da zuc- produttive e in tecnologia esportabile, si in via di sviluppo, l'oro nero diventerà chero entro la fine del decennio, e la scelta come è accaduto per Gamesa. E per questo tale di nome e di fatto (mentre per ora con- dell'etanolo produce reddito per una gran- occorre un mutamento radicale di filosofia, tinua a costare meno dell'acqua minera- de filiera di produttori agricoli. Da noi, i in cui deve esse coinvolto anche il sistema le...). Tra dieci anni, quando economie for- biocarburanti sono ancora semiclandesti- bancario. Perché per fondare nuove azien- ti come quelle di Cina, India e Brasile faran- ni, nonostante siano visti con favore da de hi-tech, creando reddito e occupazione, no la voce grossa per attingere alle risorse Coldiretti, che vede in questa nuova fron- occorre il sostegno dei venture capital, energetiche, saranno loro a fare i prezzi. E tiera un'opportunità preziosa per risolleva- come accade nel resto del mondo. toccherà a noi trovare alternative. re le sorti dell'agricoltura nazionale. Altrimenti prima o poi resteremo al Terzo: l'Italia ha firmato il Protocollo di Un altro caso esemplare arriva dalla Spa- buio. E come al solito non sapremo con Kyoto nel 1998, e lo ha ratificato nel 2002, gna. Che ha installato una potenza colica di chi prendercela. 38 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE 39 VETTORI ENERGETICI «Mi fa il pieno?» [idea di un mondo alimentato a idrogeno è accattivante, ma gli ostacoli da superare prima che si traduca in realtà sono molti e complessi. _Futuro ali' Forse un giorno l'uso dell'idrogeno come combustibile per i mezzi di trasporto ci permetterà di abbattere i consumi di petrolio e le emissioni di gas serra. Ma i tempi si preannunciano lunghi DI JOAN OGDEN Lo sviluppo di carburanti puliti per i traspor- vegetali o sintetizzati a partire dalle sabbie bitu- ti è forse la parte più spinosa della questione minose e dal carbone possono senz'altro avere energetica. Le difficoltà sono fondamentalmen- un ruolo importante in questa transizione, ma te due: in primo luogo il numero dei veicoli che nel lungo periodo per avere veicoli efficienti a circolano sul pianeta, oggi 750 milioni, tripli- emissioni zero bisognerà ricorrere all'elettricità cherà entro il 2050, soprattutto grazie alle eco- o all'idrogeno. nomie emergenti di paesi in rapido sviluppo Purtroppo i veicoli elettrici hanno il problema IN SINTESI come Cina e India. In secondo luogo, al momen- dell'autonomia, che, anche con le batterie più *E. I mezzi di to attuale il 97 per cento del carburante per moderne, non è paragonabile a quella delle nor- trasporto a idrogeno trasporti è un derivato del petrolio. mali auto a benzina. È per questo che molte case diventeranno una Nel breve periodo, produrre automezzi con automobilistiche hanno deciso di interrompere realtà se le case produttrici riusciranno consumi più bassi è sicuramente il modo lo sviluppo di questa tecnologia. I veicoli a celle a sviluppare modelli migliore per ridurre la domanda di petrolio e le a combustibile, invece, che combinano l'idroge- sicuri, durevoli, emissioni di gas serra. Ma anche se le case auto- no con l'ossigeno dell'aria per produrre elettri- economici e con un'autonomia mobilistiche riuscissero a triplicare l'efficienza cità, presentano meno difficoltà tecniche e han- sufficiente. dei mezzi e i governi adottassero strategie per no il sostegno dei produttori, delle aziende ener- Il prezzo incentivare l'uso dei trasporti pubblici e scorag- getiche e dei governi. I veicoli a celle a combu- dell'idrogeno arriverà giare quello dei mezzi privati, la crescita esplo- stibile hanno un'efficienza diverse volte supe- a essere competitivo siva del numero dei veicoli vanificherebbe gli riore a quella delle automobili a benzina, ed con quello della benzina, ma i costi per sforzi. Per ottenere risultati concreti, l'intero emettono solo vapore acqueo. costruire una rete di settore dei trasporti dovrà passare a carburanti In più, è possibile produrre idrogeno senza distribuzione saranno non derivati dal petrolio e a basse emissioni di immettere gas serra in atmosfera: l'energia molto alti. carbonio. I carburanti liquidi ottenuti dalle fibre necessaria per effettuare l'elettrolisi (il procedi- 92 LE SCIENZE LE OPZIONI PER UN'INFRASTRUTTURAALLIDROGENO mento in cui si scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno usando Ci sono, però, diversi problemi di ordine tecnico ed economico l'elettricità) può essere infatti ottenuta da fonti rinnovabili come da superare prima che le auto a celle a combustibile possano Sono molti i modi possibili per produrre e distribuire idrogeno. Nel breve periodo, l'opzione più realistica è l'estrazione dal gas naturale il solare, l'eolico, l'idroelettrico o il geotermico. In alternativa, è diventare prodotti di largo consumo. Un componente fondamen- con un procedimento chiamato reforming. Si potrebbe ricorrere a impianti centralizzati che riforniscono le stazioni di servizio tramite possibile ricavare idrogeno da combustibili fossili come il gas tale delle celle a combustibile è la membrana a scambio di proto- autobotti oppure a piccoli impianti di produzione localizzati presso le stazioni. Le stazioni potrebbero anche usare l'elettricità della rete naturale e il carbone, e sequestrare poi nel sottosuolo il carbonio ni (PEM, proton-exchange membrane), che separa l'idrogeno dal- per produrre idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Tutte queste opzioni, tuttavia, comportano l'emissione di anidride carbonica. prodotto durante il processo. l'ossigeno. Su un lato della membrana, un catalizzatore ionizza Però prima che l'idrogeno possa diventare una realtà, ci sono gli atomi di idrogeno (ovvero li scinde in protoni ed elettroni). Poi diverse questioni da risolvere. Anzitutto bisogna che le case auto- i protoni attraversano la membrana e si combinano con gli atomi BREVE TERMINE mobilistiche comincino a produrre veicoli di nuovo tipo e che di ossigeno presenti sull'altro lato. I costruttori sono riusciti a questi veicoli piacciano ai consumatori. È poi necessario che le ridurre il peso e le dimensioni delle celle a combustibile fino a società energetiche adottino tecniche più pulite per produrre poterle installare su un'utilitaria, ma non sono ancora riusciti a l'idrogeno e che costruiscano un'infrastruttura per il nuovo car- produrre membrane con una durata sufficiente. Oggi le PEM dura- Autobotte burante che alla fine sostituirà la rete di raffinazione e distribu- no circa 2000 ore, meno di metà della vita media di un veicolo, Anidride zione della benzina. L'idrogeno non risolverà tutti i nostri pro- che è di circa 5000 ore. Alla fine del 2005 la 3M ha annunciato carbonica CIl erenftorarmlei npger Sl'iedrrboagteonioo plieqruido blemi domani: potrebbero passare decenni prima che dia un serio nuovi progetti per produrre PEM della durata di 4000 ore o più contributo a ridurre le emissioni di gas serra e il consumo di entro i prossimi cinque anni. \ Compressor petrolio su scala globale. È importante capire che questa transi- Un'altra sfida è il costo delle celle a combustibile. Le celle di zione sarà una maratona, non uno sprint. oggi sono costruite a mano e costano circa un milione di dollari l'una. Ovviamente questo costo dipende dalla produzione su pic- Serbatoi di Le celle a combustibile cola scala: se le auto a idrogeno fossero prodotte in serie, il costo Impianto peni stoccaggio delle celle scenderebbe probabilmente intorno ai 6000-10.000 reforming locale Negli ultimi dieci anni, 17 i paesi hanno annunciato l'avvio di dollari al pezzo, una cifra pari a circa a 125 dollari per chilowatt Impianto per programmi di ricerca sull'idrogeno, destinandovi svariati miliardi potenza, contro i 30 dollari per chilowatt di un motore a com- l'elettrolisi locale di di dollari. In Nord America, più di 30 Stati degli Stati Uniti e bustione interna di prestazioni equivalenti. Per abbassare il prez- varie province canadesi stanno sviluppando programmi di questo zo delle celle a combustibile ai livelli dei motori a scoppio servi- tipo. Quasi tutte le case automobilistiche stanno testando proto- ranno nuovi materiali e nuove tecniche di produzione. Le aziende È importante capire che un'eventuale transizione A lungo termine i governi dovrebbero incentivare metodi di produzione più puliti. Nelle centrali elettriche del futuro sarà possibile verso l'idrogeno avrà tempi molto lunghi estrarre l'idrogeno dal carbone e sequestrare la CO 2 nel sottosuolo. Si potrà ottenere l'elettricità necessaria per l'elettrolisi da fonti rinnovabili come l'eolico, e sfruttare il vapore ad alta temperatura proveniente dai reattori nucleari per produrre idrogeno grazie alla L scissione termochimica dell'acqua. In tutti questi casi, l'idrogeno sarebbe convogliato alle stazioni di servizio tramite gasdotti. tipi di veicoli a idrogeno. Honda, Toyota e General Motors pre- potrebbero abbassare i costi di produzione anche riprogettando i LUNGO TERMINE Centrale elettrica vedono di mettere sul mercato i primi veicoli a celle a combusti- propri veicoli in modo da adattarli alle caratteristiche uniche del- avanzata bile tra il 2010 e il 2020. In California, nel nord-est degli Stati le celle. Secondo la General Motors, le automobili a celle a com- Uniti, in Europa e in Cina, le amministrazioni locali stanno lavo- bustibile potrebbe diventare persino più economiche delle auto rando con case automobilistiche e a multinazionali dell'energia tradizionali, grazie al minor numero di parti in movimento e a come Shell, Chevron e BP per introdurre i primi veicoli sperimen- un'architettura più flessibile. tali a idrogeno, affiancati da piccole reti di rifornimento. Un ulteriore problema per i progettisti è come immagazzinare L'interesse per l'idrogeno non nasce solo dai benefici ambien- su un veicolo idrogeno sufficiente a garantire un'autonomia di Gasdotto per tali a lungo termine che questa tecnologia garantisce, ma anche almeno 500 chilometri. Allo stato gassoso, infatti, l'idrogeno deve l'Idrogeno dal suo potenziale di innovazione. Le case automobilistiche han- essere conservato ad alta pressione in ingombranti bombole; allo no deciso di scommettere sulle celle a combustibile perché vi stato liquido occupa meno spazio, ma deve essere tenuto a tem- hanno visto un prodotto di qualità superiore: l'idrogeno permette perature inferiori a -253 gradi. Si stanno sperimentando sistemi Turbine eoliche di avere un inquinamento acustico minimo, una rapida accelera- a idruri metallici, che assorbono l'idrogeno sotto pressione, ma si Centrale per zione e bassi costi di manutenzione. La sostituzione di un motore tratta di apparecchiature molto pesanti (circa 300 chilogrammi) l'elettrolisi a combustione interna con uno elettrico a celle a combustibile Inventare un metodo efficiente per lo stoccaggio dell'idrogeno è Vapore ad alta temperatura consente di eliminare molti sistemi meccanici e idraulici; in que- una delle maggiori sfide per i ricercatori di tutto il mondo. Per il sto modo i costruttori hanno più libertà di progettazione e meno momento, sulla maggior parte dei veicoli a celle a combustibile problemi nella produzione. Inoltre un veicolo a celle a combusti- in circolazione l'idrogeno è immagazzinato semplicemente come Reattore bile può essere usato come generatore mobile di elettricità per usi gas compresso. Adottando soluzioni efficienti e aumentando la nucleare ricreativi o professionali: per esempio, durante gli orari di massi- pressione l'autonomia dei veicoli sta lentamente crescendo senza ma richiesta, quando l'elettricità è più cara, un'automobile a idro- sacrificare lo spazio del bagagliaio né incrementare il peso com- Produzione termochimica di idrogeno geno può fornire elettricità supplementare, e a costo inferiore, plessivo. Nel 2005 General Motors, Toyota e Honda hanno pre- all'abitazione o all'ufficio davanti a cui è parcheggiata. sentato prototipi che, usando idrogeno compresso a 70 megapa- 94 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE 95 L'AUTORE Scienze)) n. 445, settembre 2005). Questo procedimento consen- :N0 tirebbe la produzione su grande scala e a un costo relativamente JOAN OGOEN insegna scienze e politiche ambientali all'Università basso di idrogeno pulito, ma rimangono da stabilire la fattibilità della California a Davis, dove è condirettore del programma Hydro- Una delle maggiori sfide che i veicoli a celle a combustibile tecnica e la sicurezza ambientale dell'intero processo. Un'altra dovranno affrontare è l'autonomia. Il National Renewable Squadra peggiore gen Pathways presso l'Institute ofTransport Studies. Le sue ricerche possibilità è rappresentata dalla gassificazione delle biomasse, riguardano principalmente la fattibilità delle nuove tecnologie ener- Energy Laboratory ha recentemente misurato l'autonomia secondo un processo nel quale materiali organici come legno e getiche, con particolare riguardo a carburanti alternativi, celle a di 59 veicoli costruiti da quattro gruppi di ricerca (a destra). Squadra migliore combustibile, fonti rinnovabili e risparmio energetico. Si è specializ- scarti agricoli vengono riscaldati fino a rilasciare idrogeno e Nemmeno la squadra migliore ha raggiunto la soglia dei monossido di carbonio. (Con questo metodo non si immettono zata in fisica teorica nel 197? all'Università del Maryland. 480 km necessaria per la commercializzazione. Un'altra gas serra nell'atmosfera, perché le emissioni di monossido di sfida è il prezzo, che dovrà diventare competitivo con quello Obiettivo carbonio sono compensate dall'assorbimento di anidride carbo- della benzina. Secondo una relazione del National Research nica durante la crescita delle piante.) Una terza opzione è quella Council e della National Academy of Engineering, produrre dell'elettrolisi dell'acqua con elettricità proveniente da fonti rin- idrogeno da fonti rinnovabili come eolico, solare e biomassa O 100 200 300 400 500 novabili come l'eolico o il solare. è al momento troppo dispendioso. Con le nuove tecnologie, Autonomia dei veicoli a celle a combustibile (in chilometri) Per quanto riguarda l'elettrolisi e le biomasse, non ci sono tuttavia, i costi dovrebbero scendere (in basso). particolari ostacoli di ordine tecnico, ma il costo dell'idrogeno prodotto con questi metodi è alto: 6-10 dollari al chilogrammo. (Un chilogrammo di idrogeno contiene circa la stessa quantità di 12 energia di un chilogrammo di benzina, ma, grazie alla maggiore Impianti di produzione centralizzati Impianti di produzione locali efficienza delle celle a combustibile rispetto ai motori a scoppio, 10 • consente di percorrere più chilometri.) Ma, secondo un recente Costo attuale studio condotto dal National Research Council e dalla National I 8 I Costo futuro Academy of Engineering, grazie alle nuove tecnologie e alla produzione su grande scala il costo dell'idrogeno al consumo potreb- 6 be scendere a 2-4 dollari al chilogrammo (si veda il box nella pagina a fronte). Se davvero accadesse, il costo al chilometro di .2 C 4 Li un'auto a idrogeno diventerebbe inferiore a quello delle attuali Fascia di prezzicompetitivi con la benzina auto a benzina. 2 1%---lh--E L'energia per l'elettrolisi potrebbe anche provenire da centrali A" nucleari, ma il costo dell'idrogeno prodotto in questo modo o o cà sarebbe significativamente più alto rispetto alle fonti rinnovabi- Gas naturale Carbone Carbone Nucleare Biomassa Gas naturale Rete elettrica Eolico Solare E t, (reforming con sequestro (reforming [elettrolisi Un importante vantaggio del prototipo di auto a celle a combustibile Hy- li. In compenso le centrali nucleari potrebbero produrre idrogeno centralizzato] locale] locale] wire della Generai Motors è che tutti i sistemi di propulsione e controllo sono senza elettrolisi: grazie al forte calore emesso dai reattori, è pos- compressi nei 30 centimetri del pianale, lasciando ampi spazi interni. sibile scindere l'acqua attraverso una particolare reazione termochimica Con questo procedimento si otterrebbe idrogeno più a scal, raggiungevano un'autonomia di quasi 500 chilometri. in seguito viene installata su un'intera gamma di veicoli. (Per gato per i trasporti, consentirebbe la circolazione di 150 milioni buon mercato, ma non vi è ancora certezza sull'effettiva fattibi- (Come termine di paragone, la pressione atmosferica al livello del esempio il motore ibrido benzina/elettrico è stato sviluppato pri- di veicoli, circa il 20 per cento del parco macchine mondiale. lità. Per di più, ogni opzione che comprenda l'impiego del nuclea- mare è di circa 0,1 megapascal.) ma su piccole berline e poi trasferito sui SUV.) Via via che i Benché la maggior parte dell'idrogeno sia prodotto e usato re dovrebbe fare i conti con i problemi di quel settore. Infine, c'è il problema della sicurezza. L'idrogeno è infiamma- volumi di produzione aumentano, i costi diminuiscono, renden- all'interno di raffinerie o impianti chimici, una frazione compre- bile, ma la sua temperatura di accensione è più alta di quella do la novità più appetibile per il grande pubblico. Possono passa tra il 5 e il 10 per cento è convogliata all'esterno per mezzo di Una nuova infrastruttura per l'energia della benzina, come pure la sua capacità di disperdersi nell'aria, sare da 25 a 60 anni prima che una nuova tecnologia penetri una tubature o autobotti. Negli Stati Uniti una rete di questo tipo una caratteristica che riduce il rischio di incendi. D'altra parte frazione significativa del parco macchine. La ricerca sui veicoli trasferisce una quantità di energia che basterebbe ad alimentare Grazie all'abbondanza di vento, sole e biomasse, gli Stati Uni- l'idrogeno è infiammabile in una gamma di concentrazioni mol- ibridi, per esempio, è iniziata negli anni settanta, ma la Toyota ha diversi milioni di automobili, e potrebbe fare da trampolino per ti potrebbero produrre senza difficoltà grandi quantità di idroge- to più ampia rispetto alla benzina, e la sua fiamma è quasi invi- iniziato a sviluppare il proprio ibrido, la Prius, solo nel 1993, per un sistema a idrogeno. no pulito e a buon mercato. Il problema più serio sarebbe trovare sibile. Raffinerie di petrolio, industrie chimiche e altri impianti metterla sul mercato alla fine del 1997. Eppure, di tutte le auto La produzione di idrogeno a partire dai combustibili fossili, un modo economico per distribuire il combustibile in tutto il già oggi trattano grandi quantità di idrogeno senza alcun inci- nuove vendute nel 2005 negli Stati Uniti solo l'1,2 per cento era però, genera anidride carbonica. Se in un veicolo a celle a com- paese. Negli Stati Uniti esistono al momento solo 100 piccole dente, per cui non dovrebbe essere difficile rendere questo com- equipaggiato con un motore tipo ibrido. bustibile di buona efficienza viene usato idrogeno estratto dal gas stazioni di rifornimento per l'idrogeno, allestite a scopo dimostra- bustibile sicuro anche nelle applicazioni commerciali. Lo U.S. naturale (il metodo più diffuso al momento), le emissioni totali tivo, contro 170.000 distributori di benzina. Questi ultimi non Department of Energy e altri enti stanno già lavorando alla ste- Produrre l'idrogeno di gas serra sono stimabili in circa 110 grammi per chilometro possono essere convertiti per l'erogazione dell'idrogeno, perché sura di codici e standard di sicurezza specifici per l'idrogeno. percorso. Un motore ibrido benzina/elettrico ha emissioni totali viene immagazzinato e trattato in maniera diversa dai combusti- Ma una volta che le automobili a idrogeno avranno conqui- Come per l'elettricità, anche per produrre idrogeno serve una appena superiori (150 grammi per chilometro), mentre nel caso bili liquidi, e richiede pompe diverse. stato il mercato, quanto tempo ci vorrà per registrare un calo fonte energetica di partenza. Oggi la maggior parte dell'idrogeno di un'auto a benzina i valori aumentano considerevolmente (195 L'esigenza di una nuova infrastruttura per avviare l'economia delle emissioni di carbonio e dei consumi di petrolio? Considera- si ottiene con procedimenti ad alta temperatura a partire da gas grammi per chilometro). all'idrogeno ha generato un problema simile a quello dell'uovo e to che la durata media di un'automobile è di 15 anni, ci vorrà naturale e petrolio. L'idrogeno è usato nelle raffinerie per purifi- L'obiettivo finale, comunque, è produrre idrogeno con un'emis- della gallina: è chiaro che la gente non comprerà i veicoli a idro- almeno altrettanto tempo per completare la sostituzione dell'in- care i carburanti estratti dal petrolio e nell'industria chimica per sione di gas serra nulla o molto contenuta. Una possibilità è geno se il carburante non sarà disponibile ovunque e a un prezzo tero parco macchine. In genere in campo automobilistico una produrre ammoniaca e altri composti. La produzione di idrogeno quella di catturare l'anidride carbonica emessa durante l'estra- conveniente, ma i produttori di carburanti non costruiranno i nuova tecnologia passa attraverso le fasi di ricerca, sviluppo e assorbe il 2 per cento dell'energia globale, ma questa frazione sta zione dell'idrogeno e di iniettarla nel sottosuolo o in mare (si veda distributori se prima non ci saranno abbastanza auto in circola- test su strada prima di essere adottata su un unico modello; solo crescendo rapidamente. Se tutto l'idrogeno prodotto fosse impie- l'articolo Seppellire l'effetto serra, di Robert H. Socolow, in «Le zione. Secondo il National Research Council, una volta allestito 96 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE 9? I MOLTI USI DELL'IDROGENO sarebbero, insomma, molto diversi da quelli necessari al mante- di petrolio. L'idrogeno e le celle a combustibile si innesteranno su nimento dell'attuale sistema basato sul petrolio. questo progresso tecnologico, beneficiando della maggiore effi- Poiché trasportare l'idrogeno su lunghe distanze è costoso, ogni di trasporti, con camion o piccoli veicoli elettrici. Le celle a Inoltre ci sono molti modi per distribuire l'idrogeno. È possi- cienza e della diffusa elettrificazione dei veicoli. area sarebbe dotata di un suo impianto di produzione. In alcune idrogeno potrebbero essere usate anche sulle imbarcazioni o bile produrlo a livello regionale in grandi impianti, immagazzi- Lo sviluppo di un'infrastruttura per la distribuzione dell'idro- zone, con l'elettricità ricavata dagli impianti eolici si potrebbe per fornire elettricità supplementare agli edifici. I proprietari di narlo in forma liquida o come gas compresso e poi convogliarlo geno richiederà decenni, e sarà parallelo all'espansione del mer- effettuare l'elettrolisi dell'acqua e distribuire l'idrogeno con veicoli a idrogeno potranno rifornirsi al distributore, o magari alle stazioni con autobotti o gasdotti. Ma lo si può anche pro- cato dei veicoli a celle a combustibile. Le grandi aziende stanno un gasdotto. All'inizio gli utenti sarebbero soprattutto aziende direttamente a casa, sfruttando il proprio impianto solare. durre presso i singoli distributori, o persino in casa, a partire dal testando prototipi di veicoli a idrogeno e di stazioni di servizio. gas naturale o dall'elettricità. Nelle prime fasi, quando il nume- Per far sì che i nuovi veicoli arrivino sui mercati entro 10 o 15 ro dei veicoli in circolazione sarà basso, il trasporto con auto- anni, l'idrogeno dovrà essere disponibile ovunque e a un prezzo botti o la produzione presso il distributore sarebbero le opzioni competitivo prima di questa scadenza. Concentrando i progetti più economiche. In seguito, quando la domanda di idrogeno pilota in regioni come la California o il corridoio Boston-New diventerà consistente, un unico impianto centralizzato per ogni York-Washington (in Italia, per esempio, in Lombardia, nell'area macroregione e un sistema di gasdotti diventerebbero la solu- di Roma e lungo le autostrade più trafficate) si velocizzerà la zione più conveniente. La produzione centralizzata consentireb- crescita del mercato e si ridurranno i costi delle infrastrutture. be anche di sequestrare l'anidride carbonica nel sottosuolo, pro- Nel breve periodo, la maggior parte dell'idrogeno sarà proba- cedimento che risulta economicamente conveniente solo se bilmente estratta dal gas naturale, il che permetterà un taglio effettuato in grandi impianti. modesto delle emissioni di gas serra rispetto agli ibridi benzina/ Pannelli Per molti aspetti, l'idrogeno è più simile all'elettricità che alla elettrico. Per sfruttare in pieno i vantaggi ambientali dell'idrogeno, solari benzina. Essendo più costoso della benzina da immagazzinare e perciò, bisognerà produrlo a partire da fonti pulite o sequestrare Generatore di da trasportare, è probabile che le aziende costruiranno molti l'anidride carbonica nel sottosuolo. Quando l'idrogeno avrà con- elettricità a idrogeno impianti di produzione distribuiti sul territorio. In più, le soluzio- quistato il mercato, i governi dovranno imporre metodi di produ- ni adottate per la produzione e la distribuzione varieranno a zione con emissioni nulle o quasi nulle. Nel frattempo si dovrebbe 4/........... seconda del luogo: un sistema all'idrogeno in un'area in cui incoraggiare la ricerca nei settori delle tecnologie pulite, come abbondano il carbone e i siti per la cattura della CO 2 potrebbe eolico, solare, gassificazione delle biomasse e sequestro dell'ani- .../ avere un aspetto radicalmente diverso da uno dove l'idroelettri- dride carbonica, il passaggio a un'economia all'idrogeno può Magazzino i cità è disponibile a basso costo, o dove non mancano vento e anche essere visto come parte di una più ampia transizione verso Imbarcazioni biomassa. Un villaggio o un'area rurale potrebbero affidarsi al una minore dipendenza dall'energia del carbonio. .1 —11111111111111111.11.14 a idrogeno i / 4r:/ / / &Ar I Costruire una rete per l'idrogeno è costoso, Carrelli elevatori / / a d no .1k. ;:* ma costa molto anche mantenere quella attuale Gasdotto per l'idrogeno un sistema di distribuzione sufficientemente vasto e capillare, dei distributori presenti nei centri urbani (più alcuni sulle arterie trasporto con autobotti o alla produzione locale, mentre a una La trasformazione potrebbe richiedere diversi decenni, ma la l'idrogeno dovrebbe diventare competitivo rispetto alla benzina, extraurbane) dovranno vendere idrogeno. Secondo le stime del- grande città converrebbe installare una rete di tubature. diffusione dei veicoli a idrogeno contribuirebbe a fermare il cam- ma i costi potrebbero restare molto alti almeno per i primi anni. la Shell Hydrogen, per garantire una copertura nazionale al primo I rischi finanziari connessi all'avvio di un'economia all'idroge- biamento climatico e a ridurre la dipendenza dal petrolio. L'enor- Per accelerare la transizione, si potrebbe pensare, per i primi milione di veicoli a idrogeno venduti negli Stati Uniti serviranno no non sono certamente da trascurare. Se una società costruisce me potenziale di questo nuovo settore sottolinea l'importanza di tempi, ai veicoli delle aziende di trasporti (autobus, furgoni e circa 11.000 stazioni di servizio, ognuna del costo di circa un un enorme impianto di produzione o un vasto sistema di distribu- impegnarsi da ora nella ricerca, nello sviluppo e nella sperimen- camion), che non necessitano di una rete di distributori troppo milione di dollari. La costruzione di una rete di distribuzione zione e il mercato delle celle a combustibile cresce più lentamen- tazione delle tecnologie a idrogeno, in modo che siano pronte estesa. Anche treni e imbarcazioni potrebbero essere convertiti dell'idrogeno su scala nazionale potrebbe arrivare a costare te di quanto previsto, la società può trovarsi nell'impossibilità di quando ne avremo bisogno. all'idrogeno. Le celle a combustibile potrebbero essere impiegate diverse centinaia di miliardi di dollari, ovviamente distribuiti su recuperare i propri investimenti. È però possibile minimizzare su piccoli veicoli che oggi sono equipaggiati con batterie elettri- vari decenni. In queste stime sono comprese sia le spese di costru- questi rischi aumentando la fornitura di idrogeno un po' alla PER APPROFONDIRE che, come carrelli elevatori e bici elettriche. Inoltre si potrebbero zione delle singole stazioni sia le spese per i nuovi sistemi di volta, a seconda della domanda. Per esempio si potrebbero costrui- AA.VV., The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and usare celle a combustibile per produrre elettricità localmente, produzione e distribuzione richiesti dall'idrogeno. re centrali che producono elettricità, ma anche una piccola quan- R&D Needs, National Research Council e National Academy of Engi- rifornendo i clienti che non vogliono affidarsi solo alla rete elet- Per quanto enormi possano sembrare queste cifre, va detto che, tità di idrogeno, sufficiente per i primi veicoli. Per distribuire neering, National Academies Press, 2004. Disponibile on line su: www.nap.edu/catalog.php?record_id=10922#toc. trica, come stazioni di polizia o basi militari. Sfruttando questi secondo il World Energy Council, i costi per la manutenzione e l'idrogeno si potrebbe iniziare con le autobotti, e rimandare i mercati di nicchia si riuscirebbe ad abbassare il costo delle celle l'ampliamento dell'attuale rete di distribuzione della benzina grandi investimenti a quando la domanda sarà consolidata. SPERLING D. e CAN NON J.S. (a cura),The Hydrogen Energy Transition: a combustibile e a invogliare le grandi aziende energetiche a negli Stati Uniti saranno di 1300 miliardi di dollari nei prossimi Cutting Carbon from Transportation, Elsevier, 2004. costruire le prime stazioni di servizio. trent'anni, più della metà dei quali saranno spesi nei paesi in via Primi passi ROMM J.J., The Hype about Hydrogen: Fact and Fiction in the Race to Per riuscire ad abbattere in misura significativa i consumi di di sviluppo per l'estrazione del petrolio. La maggior parte servirà Save the Climate, Island Press, 2005. petrolio e le emissioni di gas serra, però, l'idrogeno dovrà con- infatti a coprire le spese di esplorazione ed estrazione. Circa 300 La strada verso un sistema di trasporto all'idrogeno è fatta di Per maggiori informazioni sulle celle a idrogeno e sui programmi quistare il mercato privato dei trasporti. Secondo una ricerca miliardi di dollari serviranno a costruire raffinerie, oleodotti e più corsie da percorrere contemporaneamente. Ridurre i consumi sperimentali in corso, consultare anche: hydrogenits.ucdavis.edu/, dell'Università della California a Davis, perché i nuovi veicoli petroliere, tutte infrastrutture che potrebbero essere sostituite da di carburante è il primo, fondamentale passo da compiere. È poi www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/analysis/model.html, godano approssimativamente della stessa comodità di sposta- un sistema di produzione e distribuzione dell'idrogeno. I costi necessario sviluppare automobili più leggere, motori più efficien- www.h2mobility.org/index.html e www.iphe.net/NewAtlas/atlas.htm. mento degli attuali veicoli a benzina, almeno il 5-10 per cento relativi alla costruzione di un'economia basata sull'idrogeno non ti e treni ibridi per limitare le emissioni di gas serra e il consumo 98 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE 99 PRODUZIONE DISTRIBUITA L'idrogeno Anche in Italia sono allo studio progetti innovativi per sfruttare il potenziale dell'idrogeno come vettore energetico sia in centrali termiche a ciclo combinato DI GENNARO DE MICHELE sia partendo da fonti rinnovabili al servizio della rete o a Fu sina (VE), che sa to da un impianto a idrogeno per la produzione di energia elettrica nell'ambito del programma H ydrogen Park. A fronte, la centrale di Bastardo (PG) dove è stato realizzato un prototipo per la produzione di idrogeno con una tecnologia basata sulla pirolisi del carbone. Una nuova visione si va consolidando nel mondo dell'energia, a sperimentare soluzioni per la generazione distribuita ad alta quella della rete. Si moltiplicano i siti di produzione, e i grandi efficienza. impianti alimentati a combustibili fossili a emissioni zero coe- Per quanto riguarda la produzione di idrogeno, l'interesse sistono con piccoli, e talvolta piccolissimi, impianti alimentati dell'azienda è volto all'impiego di fonti fossili, in particolare del con fonti rinnovabili, dall'eolico al solare, alle biomasse. È su carbone. Avendo già le infrastrutture logistiche nelle proprie questa rete che l'idrogeno trova uno spazio di grande interesse centrali, nel medio periodo infatti può diventare economicamen- come vettore energetico del futuro. Vediamo perché. te interessante estrarre idrogeno da carbone - come ben illustra L'idrogeno si può ritenere certamente un «intermedio» nella anche l'articolo Futuro all'idrogeno di Joan Ogden, a p. 92 - e conversione di energia. È un «intermedio nello spazio», in quan- contemporaneamente produrre energia elettrica impiegando to è possibile produrlo a livello centralizzato e distribuirlo per processi di gassificazione integrati in centrali termiche innova- impieghi energetici localizzati, nel settore domestico e in quello tive (IGCC, dall'inglese Integrated Gasification Combined Cycle) dei trasporti. È un «intermedio nel tempo», in quanto può essere dotati di sistemi per la separazione della CO2 che verrà seque- prodotto dagli impianti di generazione elettrica nelle ore di bas- strata in serbatoi naturali. sa richiesta di carico o - nel caso delle energie rinnovabili, L'integrazione del processo di produzione dell'idrogeno soprattutto solare ed eolico - quando le condizioni ambientali nelle centrali di generazione di elettricità consente infatti di sono favorevoli, e accumulato per fornire energia nelle ore di sfruttare le sinergie esistenti in termini di infrastrutture e flussi punta. Ed è anche un «intermedio di processo», in quanto nei energetici, riducendo i costi di investimento e di esercizio e sistemi di conversione di energia il passaggio attraverso l'idro- quindi il costo dell'idrogeno prodotto, rendendolo in prospet- geno consente di utilizzare tecnologie, come le celle a combu- tiva competitivo con gli attuali combustibili usati nel trasporto stibile, che hanno elevati rendimenti di conversione. Per tutto e nella generazione distribuita. questo si può affermare che l'idrogeno incoraggia la diversifica- La tecnologia attualmente disponibile per produrre idrogeno zione delle fonti di energia e il suo impiego incoraggia lo svilup- da carbone è quella basata sulla gassificazione e sulla succes- po della rete dell'energia. siva conversione in idrogeno del gas di sintesi (o syngas) attraverso il processo di shift. Pur essendo abbastanza consolidata Una tecnologia costosa dal punto di vista industriale, questa tecnologia ha tuttavia costi di installazione piuttosto elevati, sia per la complessità È proprio partendo da queste considerazioni che l'ENEL ha dell'impianto sia per le elevate pressioni e temperature a cui lanciato un programma di ricerca e dimostrazione sull'idrogeno. opera. I costi di esercizio sono inoltre penalizzati dai consumi Un programma articolato, che si muove su più fronti: si punta di elettricità legati al sistema di produzione di ossigeno per via da una parte ad acquisire know-how sulla produzione e l'impie- criogenica, essenziale per la realizzazione di un processo ad alta go di idrogeno in impianti di generazione di potenza, dall'altra efficienza. 101 1 0 0 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE LZiti I • Tecnologie innovative Per ridurre questi costi ENEL sta studian- Il do una nuova tecnologia basata sulla pirolisi del carbone, che una volta ingegneriz- zata potrebbe ridurre significativamente il costo di produzione dell'idrogeno. La soluzione proposta, realizzata a livello di prototipo presso la centrale di Bastardo (in provincia di Perugia), consiste nella devo- latilizzazione del carbone in un reattore di pirolisi in assenza di aria, a cui il calore necessario al processo viene fornito con la • combustione del residuo carbonioso effet- La prima tappa del progetto Hydrogen Park, che sorgerà a tuata in un secondo reattore fluidizzato. 11 Fusina, in provincia di Venezia, consisterà nella realizzazione gas di sintesi prodotto - che contiene idro- di un impianto dimostrativo di media taglia alimentato a geno, monossido di carbonio, metano e idrogeno per la produzione di energia elettrica. Nelle immagini idrocarburi di grado superiore - viene di queste pagine, il progetto del nuovo impianto a idrogeno depurato attraverso lavaggio e successiva per la produzione di elettricità (a colori) è integrato con il filtrazione a freddo. La conversione in idro- preesistente impianto di generazione a carbone (in grigio). geno è completata con l'introduzione a valle di un processo di reforming e shift. ta del viaggio che portò Darwin a elabora- Questo sistema è fortemente innovativo re la teoria dell'evoluzione delle specie (si rispetto a quello basato sulla gassificazio- veda anche Sulla rotta di Darwin con ne in pressione, e consente una riduzione Adriatica, in «Le Scienze» n. 458, ottobre dei costi: funziona a pressione atmosferica 2006). Ed ENEL, sponsor del progetto, ha e a temperature più basse, e non richiede scelto Adriatica per un inedito esperimen- la separazione dell'aria per la produzione to per un'energia pulita. L'idea è semplice: di ossigeno. Inoltre può essere efficace- alimentare la barca con fonti rinnovabili mente integrato con centrali termoelettri- (sole, vento e mare), usando come vettore che, in quanto i reflui energetici derivanti energetico l'idrogeno. Il progetto, in sé dal processo possono essere sfruttati all'in- affascinante, ha l'obiettivo di dare concre- terno del ciclo termico della centrale. tezza all'idea dell'idrogeno e al suo impie- Sul fronte della generazione di potenza go. Concretezza e fascino che non manca- a idrogeno, un'interessante opportunità no a questo piccolo elemento. per realizzare un impianto dimostrativo di Ce li descrive Primo Levi in un suo libro, generazione di energia elettrica è presente Il sistema periodico: «Presi acqua in un in Veneto. È un dato di fatto che negli becher, vi sciolsi un pizzico di sale, capovol- impianti petrolchimici di Marghera, vicino si nel becher due barattoli di marmellata fili a Venezia, una grossa quantità di idrogeno vuoti, trovai due di rame ricoperti di viene prodotta a costi accettabili come sot- gomma, li legai ai poli di una pila e intro- toprodotto di processi industriali, ed è oggi L'AUTORE la messa a punto di celle a combustibile in dussi le estremità nei barattoli. Dai capi sfruttata per la produzione di calore di pro- GENNARO DE MICHELE, ingegnere chimico, è direttore della ricerca dell'ENEL e membro del- sistemi trigenerativi e una serie di applica- saliva una minuscola processione di bolli- L'idrogeno offre cesso. Questo idrogeno può facilmente l'Advisory Council della Technology Platform for the Zero Emission Fossil Fuel Power Plants zioni, avviate o in corso di definizione, che cine, anzi, guardando bene, si vedeva che al essere sostituito con gas naturale e reso dell'Unione Europea e General Secretary della International Flame Research Foundation. un'opportunità sfruttano al meglio le caratteristiche del- catodo si liberava su per giù il doppio del disponibile per usi a più alto rendimento. Autore di oltre 200 pubblicazioni e titolare di 11 brevetti, ha ricevuto numerosi riconosci- l'idrogeno e in particolare la sua capacità gas dell'anodo. Scrissi sulla lavagna l'equa- menti, tra cui il prestigioso premio Philip Morris per la ricerca scientifica e tecnologica. unica, perché può di accumulare energia. zione ben nota (2H20-2H2+02) e spiegai La via italiana all'idrogeno Accanto a studi volti a verificare la pos- ad Enrico che stava succedendo proprio essere prodotto sia sibilità di alimentare, con idrogeno pro- quello che stava scritto lì. Enrico non sem- In questo contesto industriale, con lo la creazione di una economia in piena sca- consiste in un ciclo combinato in cui un dotto con energia eolica e solare, fari iso- brava crederci, allora sollevai con cura il scopo di promuovere lo sviluppo e le la basata sull'idrogeno. turbogas da 12 megawatt alimentato a in grandi centrali sia lati o il sistema elettrico di piccole isole, è barattolo del catodo e tenendolo con la boc- applicazioni delle tecnologie dell'idrogeno Come prima tappa del programma ENEL idrogeno è fortemente integrato con l'esi- stata sviluppata un'applicazione singola- ca in giù, accesi un fiammifero e lo avvici- in piccoli impianti nel settore del trasporto e della generazio- ha deciso di realizzare - nel sito di Fusina, stente centrale a carbone di Fusina. re, che dimostra le possibilità offerte da nai. Ci fu un'esplosione, piccola, ma secca ne stazionaria è stato fondato nel 2003 il dove è già presente un impianto a carbone L'impresa di Hydrogen Park non è l'uni- questo nuovo vettore. Si tratta di fornire e rabbiosa. Era proprio idrogeno, dunque: decentralizzati consorzio Hydrogen Park. Questo consor- - un impianto dimostrativo di media taglia ca in cui ENEL è impegnata. Sul fronte energia a una barca: Adriatica, lo sloop di lo stesso che brucia nel sole e nelle stelle e zio guiderà la nascita e l'espansione del alimentato a idrogeno per la produzione di della generazione distribuita le ricerche Velisti per caso, lungo 21 metri per una dalla cui condensazione si formano in eter- più grande parco sperimentale in Italia per energia elettrica. L'impianto sperimentale dell'azienda sono articolate e riguardano stazza di 50 tonnellate, che seguirà la rot- no silenzio gli universi». 102 103 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienzeit LE SCIENZE FONTI ENERGETICHE FUTURIBILI * Nuove tecnologie B Per conservare il nostro pianeta in con- cussioni negative sull'economia globale. Ecco come potrebbe essere il sistema futuribili potrebbero dizioni tollerabili, l'umanità dovrà impe- Insomma, un ragionevole «piano A». energetico alla fine del XXI secolo: reattori a aiutare a soddisfare il uno gnarsi in una maratona di innovazione Ma non un piano a prova di bomba. Per- fusione nucleare, idrogeno fabbricato da microbi fabbisogno energetico del pianeta senza tecnologica, il cui traguardo è ancora mol- ché il suo successo dipende dal fatto che la geneticamente modificati, turbine eoliche d'alta aggravare il to lontano. nostra società adotti una serie di pratiche quota, pannelli solari orbitanti e centrali perla cambiamento Secondo Robert H. Socolow e Stephen per la riduzione delle emissioni in modo da sfruttamento di onde e maree, il tutto collegato climatico. W. Pacala, l'impresa è paragonabile a una riempire sette «cunei», ciascuno dei quali da una rete globale di cavi superconduttori. * Se le misure staffetta multigenerazionale (si veda l'ar- equivale a impedire che 25 miliardi di ton- convenzionali per per l'energia abbattere le emissioni ticolo Carbonio sotto controllo a p. 40). I nellate di carbonio entrino nell'atmosfera. emissioni di carbonio aumenteranno più di CO2 dovessero due scienziati propongono una strategia Un ritardo nell'applicazione delle misure o lentamente dell'economia e del consumo rivelarsi insufficienti, 01W. WAYT GIBBS che dovrebbe permettere di vincere la pri- il raggiungimento prematuro di una soglia energetico. Via via che il prezzo di gas e l'avvento di queste tecnologie potrebbe ma tappa, da qui a cinquant'anni, ripor- bastano a mandare tutto all'aria. petrolio aumenta, osserva Hoffert, l'indu- rivelarsi più urgente Se i progressi nell'efficienza e il perfezionamento delle tecnologie odierne non tando le emissioni di CO2 sotto controllo. Inoltre secondo altri scienziati sette stria dell'energia ritorna al carbone. «Sono del previsto. Ma queste Le tecnologie esistenti, applicate subito e cunei non bastano. Per esempio, Martin I. quasi 850 le nuove centrali a carbone di cui soluzioni sono davvero bastassero a fermare il riscaldamento globale, a salvarci potrebbero essere nuove e praticabili? in modo oculato, dovrebbero bastare per Hoffert, fisico dell'Università di New York, è in programma la costruzione negli Stati rivoluzionarie fonti energetiche. Ma fino a che punto è realistica la loro realizzazione? arrivare al traguardo del 2056 senza riper- sostiene che è un errore presuppone che le Uniti, in Cina e in India: e nessuno dei tre 104 105 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienzeit LE SCIENZE FUSIONE NUCLEARE Camera di contenimento del plasma Tubi di raffreddamento paesi ha firmato il Protocollo di Kyoto», una sola tonnellata di anidride carbonica. rivestita da 440 moduli di protezione con elio liquido • Il reattore a fusione ITER, che entrerà in ricorda. «Entro il 2012 le emissioni di que- È dagli anni sessanta che gli esperti imma- funzione nella seconda metà del prossimo sti impianti avranno superato di cinque ginano progetti più o meno fantascientifi- Entusiasti, i fisici guardano alle stelle, decennio, sarà il primo tokamak a generare volte le riduzioni ottenute grazie all'accor- ci: è arrivato il momento di prenderli sul sognando una fonte di combustibile molta più energia di quanta ne consuma. Ed è già do». E anche se il piano funzionasse e il serio. «Se non cominciamo subito a illimitata e pulita con una produzione allo studio un suo successore, chiamato DEMO: il primo tratto della staffetta fosse completa- costruire le infrastrutture per un rivoluzio- primo reattore a fusione commerciale alimentato minima di scorie. Ma i politici to con successo, la maratona sarebbe vinta nario cambiamento del sistema energetico dalla fonte energetica delle stelle. impallidiscono peri costi della fusione, soltanto a metà. Nel 2056 il testimone pas- - avverte Hoffert - non riusciremo mai a e hanno paura di restarne bruciati serebbe alla generazione successiva, che farlo in tempo». dovrà affrontare la parte seguente, e pro- Ma che cosa costruire? In queste pagine babilmente più dura della gara: dimezzare valuteremo alcune delle opzioni più pro- I reattori a fusione, che producono ener- le emissioni entro il 2106. mettenti, oltre a un paio che, pur essendo gia nucleare unendo i nuclei atomici anzi- Prima o poi, insomma, il mondo avrà molto popolari, sono anche impraticabili. ché scindendoli, sono in cima a quasi tutte bisogno di un «piano B»: una o più tecno- Non c'è nessuna certezza, ma è da una di le liste delle tecnologie energetiche risolu- logie radicalmente nuove, in grado di pro- queste idee che potrebbe emergere il nuo- tive per l'umanità. Sfruttando la stessa for- durre da 10 a 30 terawatt senza emettere vo motore della civiltà. za termonucleare che alimenta il Sole, un Magneti impianto a fusione potrebbe estrarre un 0 superconduttori gigawatt di elettricità al giorno da pochi QUANTO TEMPO ABBIAMO? chilogrammi di combustibile, costituito da isotopi dell'idrogeno (deuterio e trizio) Evitare le conseguenze catastrofiche del riscaldamento globale significa anzitutto facilmente ricavabili dall'acqua di mare e • Gli stellarator funzionano più o meno come colmare il divario che separa le emissioni dell'attuale sistema energetico da una dal litio, un metallo comune. Il reattore i tokamak, ma usano magneti di forma più concentrazione stabile di anidride carbonica. Tuttavia, secondo il fisico Martin I. non produrrebbe gas serra, e genererebbe complessa, più efficaci nel contenimento del Hoffert dell'Università di New York, questo divario potrebbe allargarsi molto più Magneti quantità relativamente ridotte di scorie a plasma ad alta temperatura (in arancione). Il velocemente di quanto prevedono Robert H.Socolow della Princeton University e superconduttori bassa radioattività, che diventerebbero gruppo di scienziati di ARIES sta valutando molti altri economisti. Il modello dei sette «cunei» (si veda il box a p. 45] presuppone innocue nel giro di un secolo. «Anche se possibili progetti per uno stellarator commerciale. infatti che sia il consumo energetico per dollaro di PIL sia le emissioni di carbonio una centrale venisse distrutta [da un inci- per chilowatt prodotto continueranno a diminuire. Hoffert osserva invece che oi~orsi dente o da un attacco], il livello di radia- Finora, però, i governi non hanno dato grande impul- anni dopo i reattori a fissione erano usati sui sotto- Cina e India hanno già cominciato a riconvertirsi al carbone, aumentando quindi le 3. zioni a un chilometro di distanza dai suoi so alla fusione. Quasi vent'anni dopo la proposta inizia- INDICE DI marini. La fusione presenta, però, problemi incompa- emissioni di CO2 per ogni chilowatt prodotto. Ma anche negli Stati Uniti il rapporto cancelli sarebbe così basso da rendere inu- le, l'International Thermonuclear Experimental Reactor REALTÀ' rabilmente maggiori, tanto che, secondo alcuni esper- tra emissioni ed energia prodotta ha smesso di diminuire. Socolow riconosce che tile l'evacuazione», afferma Farrokh Naj- (IIER) è giunto solo ora alla fase di approvazione defi- ti del settore, ci vorranno venti o trent'anni di esperi- il modello dei sette cunei presuppone progressi sostanziali nell'efficienza e nella mabadi, l'esperto di fusione che dirige il nitiva. Se la sua costruzione comincerà come previsto menti con IIER per arrivare al progetto di una centra- crescita delle fonti rinnovabili all'interno dell'attuale sistema energetico. Anche Centre for Energy Research dell'Università l'anno prossimo, il reattore da 10 miliardi di dollari sarà le vera e propria. ammesso che questo accada, per abbattere le emissioni di carbonio nella seconda della California a San Diego. operativo nel sud-est della Francia nel 2016. Nel frat- L i Najmabadi è più ottimista 11 gruppo da lui diretto metà del XXI secolo saranno comunque necessarie tecnologie del tutto nuove. La domanda è se la fusione potrà essere tempo, una generazione intermedia di tokamak in via di ha già prodotto tre bozze di progetti per reattori a *Stima difattibilità tecnica impiegata già nel XXI secolo o se non sia, completamento in India, Cina e Corea permetterà di da l (impossibile) fusione commerciali. L'ultimo, chiamato ARIES-AT, piuttosto, una soluzione per quello succes- verificare se bobine fatte di materiali superconduttori a5 (pronto per la avrebbe dimensioni più compatte rispetto a ITER, e commercializzazione) nnn Tendenza storica sivo. «Dieci anni fa, alcuni scienziati dubi- siano in grado di far turbinare il plasma ad altissima quindi costi di costruzione inferiori, e dovrebbe pro- Percorso verso tavano che la fusione fosse possibile, anche temperatura dentro la sua bottiglia magnetica per alcu- durre 1000 megawatt a circa cinque centesimi di dol- 21 una concentrazione solo in laboratorio», racconta David E. ni minuti, contro le poche decine di secondi a cui arri- laro per chilowattora, un prezzo competitivo con gli stabile di CO2 18 cunei Baldwin, capo della divisione energia della vano, nella migliore delle ipotesi, i reattori attuali. attuali impianti a gas e petrolio. Secondo Najmabadi, (ml Previsione di Socolow General Atomics e supervisore del più ITER ha tre obiettivi principali. Primo, dimostra- se il lavoro a un impianto commerciale comincias- per l'attuale grande reattore a fusione degli Stati Uniti, re che un tokamak di grandi dimensioni può con- Reazione di fusione se in parallelo a ITER, anziché decenni dopo la sistema energetico il DIII-D. Ma negli ultimi vent'anni ci sono trollare la fusione degli isotopi deuterio e trizio sua entrata in funzione, una centrale a fusione •nn Pperer vl'iastitounaele di Hoffert i stati incredibili progressi nei tokamak, in elio per un tempo abbastanza lungo da Deuterio * Elio potrebbe essere pronta per la produzione entro sistema energetico macchine che usano enormi bobine elet- generare una quantità di energia dieci volte Trizio CD Energia la metà del secolo. O tromagnetiche per confinare il combusti- superiore a quella consumata. Secondo, trova- Neutrone Hoffert aggiunge che la fusione potrebbe 7 cunei bile ionizzato in una camera toroidale, t re il modo per usare i neutroni ad alta velocità Reattori a fusione essere anche più competitiva dal punto di vista portando il plasma a temperature di oltre generati dalla reazione per produrre trizio, per di nuova generazione economico se i neutroni veloci prodotti nei ì 7 100 milioni di gradi. «Oggi sappiamo che z esempio lanciandoli contro un mantello di litio. Progetto Luogo Operatività tokamak fossero usati per trasmutare il torio la fusione funzionerà», assicura Baldwin. Terzo, integrare fra loro le numerose tecnologie EAST Cina 2006 (che è relativamente abbondante) in uranio SST-1 India 2006 «La domanda è se sia economicamente necessarie per un impianto di fusione commer- (che tra cinquant'anni potrebbe scarseggiare) K-Sta r Corea 2008 conveniente». E, se lo fosse, quanto tempo ciale. In caso di successo, IIER non aggiunge- da usare negli impianti a fissione. «I sostenito- NIF Stati Uniti 2009 • ci vorrà per passare dalla fase sperimenta- rà neanche un watt alla rete elettrica. Ma por- ri della fusione non vogliono contaminare l'im- ITER Francia 2016 o le a reattori commerciali su scala industria- terà la fusione oltre il traguardo che la fissione NCT Giappone ? magine pulita di questa tecnologia - osserva 1956 2006 2056 2106 Anno le. «Anche con un programma serrato cre- raggiunse nel 1942, quando Enrico Fermi ottenne Hoffert - ma gli ibridi fusione-fissione potrebbe- do che ci vorranno 25 o 30 anni» la prima reazione a catena autoalimentata. Già 11 ro essere la strada giusta». 106 10? LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienze.it LE SCIENZE VENTI D'ALTA QUOTA OLUZIONI DA FANTASCIF 7.A INDICE DI REALTÀ' I venti più potenti soffiano ben al di sopra I progetti più futuristici hanno molto fascino, ma sono delle pale delle turbine di oggi. Gli impianti eolici piuttosto improbabili dal punto di vista fisico del futuro si alzeranno molto di più: forse arrivando persino alle correnti a getto Fusione fredda e fusione a bolle Nel 1989, Stanley Pons e Martin Fleischmann scatenarono un putiferio Il vento è energia solare in movimento. Circa lo 0,5 annunciando di aver ottenuto la fusione a temperatura ambiente «in bottiglia». per cento della luce solare che raggiunge l'atmosfera L'idea ha ancora accaniti sostenitori, ma gran parte del mondo scientifico ha si trasforma in energia cinetica dell'aria: in media, nel- respinto la fattibilità del procedimento. la colonna d'aria sopra ogni metro quadrato di super- Teoricamente più plausibile, ma comunque ficie terrestre c'è l'equivalente di 1,7 watt: una quan- controversa dal punto di vista sperimentale, è la tità minima, che però fortunatamente non è distribui- sonofusione. Nel 2002 Rusi Taleyarkhan, fisico ta in modo uniforme ma è concentrata all'interno di dell'Oak Ridge National Laboratory, riferì su forti correnti. Il problema è che le correnti più grandi, • Gli autogiri progettati dalla Sky WindPower si alzeranno a oltre 3000 metri grazie a «Science» che, sottoponendo un recipiente pieno potenti e continue si trovano a quote molto elevate. quattro pale controrotanti, per poi passare in modalità produzione. Altezza e posizione di acetone a un bombardamento di ultrasuoni ad Hoffert stima che circa due terzi dell'energia eolica saranno controllate da un computer che regola l'inclinazione delle pale. alta intensità e neutroni, si formavano bolle totale del pianeta siano nella parte alta della troposfe- microscopiche che implodevano a velocità iper- ra, al di là della portata degli impianti odierni. IN BREVE bo J. Ockels e dai suoi studenti del Politecnico di Delft, sonica. L'acetone era stato prodotto a partire dal Ken Caldeira, della Carnegie Institution di Washing- in Olanda. Il progetto prevede una serie di aquiloni deuterio (l'isotopo dell'idrogeno con un neutro- * La potenza ton, ha calcolato come varia l'energia eolica in base collegati da un lungo cavo e controllati da un compu- ne) e, secondo Taleyarkhan, le straordinarie tem- ottenuta dall'eolico, ad altitudine, latitudine e stagione. La maggior parte attualmente circa 58 ter. La scala di aquiloni si alza e si abbassa come uno perature e pressioni che si formavano all'interno • di essa si trova nelle correnti a getto, flussi d'aria che gigawatt, dovrebbe yo-yo, provocando la rotazione di un generatore al delle bolle durante le implosioni costringevano Le bolle della discordia. triplicare entro il 2014. soffiano a 10.000 metri di quota, tra i 20 e i 40 gradi suolo. Stando alle simulazioni, un Laddermill che arri- alcuni atomi di deuterio a fondersi con i neutro- di latitudine nell'emisfero nord. Nei cieli sopra gli Sta- * I generatori riempiti vi fino alla corrente a getto potrebbe produrre fino a ni immessi dall'esterno, formando atomi di trizio (idrogeno con due neutroni ti Uniti, l'Europa, la Cina e il Giappone - incidental- di elio necessitano di 50 megawatt di energia. per nucleo). L'esperimento è stato ripetuto da un altro gruppo dello stesso labo- diversi «rabbocchi» mente, alcuni dei paesi più attrezzati per sfruttarla - la Fino ai test sul campo, tuttavia, nessuno può preve- ratorio, ma non si sono registrati chiari segni di fusione. all'anno. potenza del vento arriva a 5000 o persino 10.000 watt dere il comportamento di queste macchine in caso di Taleyarkhan si è trasferito alla Purdue University e ha continuato a riferire * Numero degli al metro quadrato. Inoltre, la corrente a getto si sposta, turbolenze o venti molto forti. Poi c'è l'inconveniente risultati positivi, anche se nessun altro ricercatore è riuscito a replicare i suoi aerostati a guardia dei ma non si ferma mai. Per ottenere dal vento potenze confini statunitensi: 8. dei costi di manutenzione. E ci sono ostacoli normati- esperimenti. Quest'anno la Purdue ha avviato un'inchiesta su possibili inter- dell'ordine del terawatt, sarà perciò necessario inven- vi: un impianto eolico sospeso, infatti, occupa meno ferenze di Taleyarkhan con i colleghi le cui ricerche contraddicevano le sue. I tare tecnologie che consentano di sfruttare questa terreno di un impianto convenzionale, ma bisogna risultati dell'indagine non sono stati resi noti, e l'inchiesta è stata chiusa: e con risorsa in modo economicamente conveniente. INDICE DI vietare il traffico aereo nelle sue vicinanze. Ma c'è un Il Laddermill sarebbe composto da una serie essa l'ennesimo capitolo deludente della storia della fusione fredda. Altri ricer- I progetti in via di sviluppo sono tre. La Magenn REALTÀ' I precedente: la U.S. AirForce fa volare da anni aerosta- di aquiloni a forma di C [nell'illustrazione) o di catori continuano tuttavia a sperare che metodi diversi riescano, un giorno, a Power di Ottawa, in Canada, prevede di commercializ- ti ad alta quota sul confine meridionale del paese. paracadute collegati da un cavo. Ogni vela sarebbe riaprire il capitolo della sonofusione. zare entro l'anno prossimo un generatore rotante riem- Confrontato con altre tecnologie altrettanto rivolu- dotata di sensori e attuatori per controllare la pito di elio che, sfruttando l'effetto Magnus (lo stesso zionarie, comunque, l'eolico d'alta quota sembra rela- rotazione e l'inclinazione durante la salita e la Reattori a materia-antimateria che fornisce portanza a una pallina da golf), fluttuerà tivamente semplice e privo di controindicazioni. discesa. Con questo sistema, il generatore, la parte I propulsori warp dell'astronave Enterprise della serie Star Trek sono alimen- a 122 metri di altezza. Grande come un autobus, sarà più pesante, rimarrebbe al suolo. tati con una miscela di materia e antimateria. Sarà mai possibile riprodurre un collegato tramite cavi a una stazione al suolo, che ero- simile sistema nella realtà? La combinazione è gherà una potenza di quattro chilowatt. Il prezzo 126 metri 91 metri senza dubbio potente: con un chilogrammo di dovrebbe aggirarsi sui 10.000 dollari (elio escluso). • materia e uno di antimateria si potrebbe produr- L'azienda punta a produrre unità da 1,6 megawatt, re, attraverso la reciproca annichilazione, una OSO ' grandi come un campo da calcio, entro il 2010. quantità di energia pari alla metà di tutta la ben- La Sky WindPower di Ramona, in California, ha zina bruciata l'anno scorso negli Stati Uniti. invece puntato sugli autogiri, che catturano il vento Purtroppo, non esistono fonti conosciute di grazie a pale rotanti come quelle degli elicotteri. Por- antimateria, per cui sarebbe necessario sintetiz- tate a un'altezza di 10.000 metri, queste macchine zarla. E il produttore di antimateria più efficien- potrebbero lavorare al 90 per cento della loro capaci- te del mondo, l'acceleratore di particelle del • tà massima, mentre le turbine al suolo, a causa del- CERN di Ginevra, dovrebbe funzionare senza Una visione un po' troppo l'incostanza dei venti di superficie, lavorano a circa la sosta per 100.000 miliardi di anni per fabbricare futuristica. metà. L'azienda ha però avuto difficoltà a reperire i • Simile a un dirigibile rotante, un rotore riempito di elio un solo chilogrammo di antiprotoni. quattro milioni di dollari necessari alla costruzione di catturerebbe il vento in enormi sacche di tessuto. In pratica, perciò, benché si possa catturare occasionalmente qualche antia- un prototipo da 250 chilowatt. Il movimento attiverebbe i generatori, collegati tramite tomo, gli impianti di produzione di antimateria non si materializzeranno mai. È ancora in fase concettuale, invece, il Laddermill • I generatori eolici che la Magenn Power prevede di produrre entro il 2010 saranno alti cavi, che condurrebbero l'elettricità a un trasformatore M (letteralmente, «mulino a scala a pioli») ideato da Wub- quasi il doppio delle turbine odierne, ma più sottili di un terzo. al suolo. 108 LE SCIENZE 459 /novembre 2006 www.lescienzeit LE SCIENZE 109