Il ferro come mezzo di stoccaggio dell'idrogeno a basso costo

Il fotovoltaico dovrebbe coprire oltre il 40% del fabbisogno elettrico della Svizzera entro il 2050. Tuttavia, l'energia solare non arriva sempre quando è necessaria: È troppa in estate e troppo poca in inverno, quando il sole splende meno spesso e le pompe di calore funzionano a pieno ritmo. Secondo la strategia energetica della Confederazione Svizzera, la Svizzera vuole colmare il divario di elettricità invernale con una combinazione di importazioni, energia eolica e idroelettrica, impianti solari alpini e centrali a gas.

Un modo per ridurre al minimo la percentuale di importazioni e di centrali elettriche a gas in inverno è quello di produrre idrogeno dall'energia solare a basso costo in estate, che potrebbe poi essere convertito in elettricità in inverno. Tuttavia, l'idrogeno è altamente infiammabile, estremamente volatile e rende fragili molti materiali. Per immagazzinare il gas dall'estate all'inverno sono necessari speciali contenitori pressurizzati e tecnologie di raffreddamento. Questi richiedono molta energia e la costruzione degli impianti di stoccaggio è molto costosa a causa delle numerose precauzioni di sicurezza. Inoltre, i serbatoi di idrogeno non sono mai completamente a prova di perdite, il che inquina l'ambiente e comporta costi aggiuntivi.

I ricercatori dell'ETH guidati da Wendelin Stark, professore di materiali funzionali presso il Dipartimento di chimica e scienze biologiche applicate, hanno ora sviluppato una nuova tecnologia di stoccaggio per immagazzinare l'idrogeno stagionalmente. Questo tipo di stoccaggio è molto più sicuro ed economico delle soluzioni esistenti. I ricercatori utilizzano una tecnologia ben nota e il quarto elemento più comune sulla terra: il ferro.

Stoccaggio chimico

Per immagazzinare meglio l'idrogeno, Stark e il suo team si affidano al processo ferro-vapore, noto fin dal XIX secolo. Se nei mesi estivi è disponibile troppa energia solare, l'acqua può essere scissa per produrre idrogeno. L'idrogeno viene poi immesso in una caldaia di acciaio inossidabile a 400 gradi Celsius, riempita di minerale di ferro naturale. L'idrogeno estrae l'ossigeno dal minerale di ferro, che chimicamente non è altro che ossido di ferro, producendo ferro elementare e acqua.

"Questo processo chimico è simile alla ricarica di una batteria. In questo modo, l'energia dell'idrogeno può essere immagazzinata sotto forma di ferro e acqua per molto tempo senza quasi alcuna perdita", spiega Stark. Se l'energia è di nuovo necessaria in inverno, i ricercatori invertono il processo: Alimentano la caldaia con vapore acqueo caldo, che trasforma il ferro e l'acqua in ossido di ferro e idrogeno. L'idrogeno può quindi essere convertito in elettricità o calore in una turbina a gas o in una cella a combustibile. Per utilizzare meno energia possibile per il processo di scarico, il calore residuo della reazione di scarico viene utilizzato per generare il vapore acqueo.

Il minerale di ferro economico incontra l'idrogeno costoso

"Il grande vantaggio di questa tecnologia è che la materia prima, il minerale di ferro, è facile da acquistare in grandi quantità. Inoltre, non dobbiamo nemmeno lavorarlo prima di inserirlo nella caldaia", afferma Stark. I ricercatori ipotizzano anche che si possano costruire grandi impianti di stoccaggio del minerale di ferro in tutto il mondo senza influenzare in modo sostanziale il prezzo del ferro sul mercato mondiale.

Anche la caldaia in cui avviene la reazione non deve soddisfare particolari requisiti di sicurezza. È costituita da pareti di acciaio inossidabile spesse appena sei millimetri. La reazione avviene a pressione normale e la capacità di stoccaggio aumenta a ogni ciclo. La caldaia con ossido di ferro può essere riutilizzata per un numero qualsiasi di cicli di stoccaggio senza dover sostituire l'ossido di ferro. Un altro vantaggio di questa tecnologia è che i ricercatori possono facilmente aumentare la capacità di stoccaggio. È sufficiente costruire caldaie più grandi e riempirle con più minerale di ferro. Si stima che tutti questi vantaggi rendano la tecnologia di stoccaggio circa dieci volte più economica rispetto ai processi esistenti.

Tuttavia, l'uso dell'idrogeno presenta anche uno svantaggio: la sua produzione e conversione sono inefficienti rispetto ad altre fonti energetiche, poiché fino al 60% dell'energia viene persa nel processo. L'idrogeno è quindi particolarmente interessante come mezzo di stoccaggio quando è disponibile una quantità sufficiente di energia eolica o solare e le altre opzioni sono fuori questione. Questo vale in particolare per i processi industriali che non possono essere elettrificati.

Impianto pilota nel Campus Hönggerberg

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità tecnica della tecnologia di stoccaggio utilizzando un impianto pilota nel Campus Hönggerberg. Si tratta di tre caldaie in acciaio inossidabile da 1,4 metri cubi, che i ricercatori hanno riempito con due o tre tonnellate di minerale di ferro non trattato disponibile sul mercato.

"L'impianto pilota può immagazzinare circa dieci megawattora di idrogeno a lungo termine. A seconda di come l'idrogeno viene convertito in elettricità, può generare da quattro a sei megawattora di elettricità", spiega Samuel Heiniger, dottorando del gruppo di ricerca di Wendelin Stark. Ciò corrisponde al fabbisogno di elettricità di tre o cinque case unifamiliari svizzere nei mesi invernali. Attualmente il sistema funziona ancora con l'elettricità della rete e non con l'energia solare generata nel Campus Hönggerberg.

La situazione è destinata a cambiare presto: I ricercatori vogliono espandere il sistema entro il 2026 e coprire un quinto del fabbisogno di elettricità del Campus Hönggerberg in inverno con l'energia solare prodotta in estate. Ciò richiederebbe caldaie con un volume di 2.000 metri cubi in grado di immagazzinare circa quattro gigawattora di idrogeno verde. Una volta convertito in elettricità, l'idrogeno immagazzinato fornirebbe circa due gigawattora di elettricità. "Questo impianto potrebbe sostituire un piccolo bacino alpino come deposito stagionale di energia. A titolo di confronto, si tratterebbe di circa un decimo della capacità della centrale di pompaggio di Nate de Drance", spiega l'ETH Stark. Inoltre, durante la scarica verrebbero generati due gigawattora di calore, che i ricercatori intendono integrare nel sistema di riscaldamento del campus.

Facilmente scalabile

Ma la tecnologia funzionerebbe anche per lo stoccaggio stagionale dell'energia in tutta la Svizzera? I ricercatori hanno fatto alcuni calcoli iniziali: Se in futuro la Svizzera dovesse prelevare ogni anno circa dieci terawattora di elettricità dallo stoccaggio stagionale dell'idrogeno - il che sarebbe indubbiamente molto - sarebbero necessari circa 15-20 TWh di idrogeno verde e circa 10.000.000 di metri cubi di minerale di ferro. "Questa quantità di ferro corrisponde a circa il due per cento di quanto l'Australia, il più grande produttore di minerale di ferro, estrae ogni anno", spiega l'ETH Stark. A titolo di confronto, l'Ufficio federale dell'energia, nelle sue Prospettive energetiche per il 2050, prevede un consumo totale di elettricità di circa 84 TWh nel 2050.

Se si costruissero serbatoi in grado di immagazzinare ciascuno circa un gigawattora di elettricità, il loro volume sarebbe di circa 1000 metri cubi. Ciò richiederebbe un terreno edificabile di circa 100 metri quadrati. La Svizzera dovrebbe costruire circa 10.000 di questi serbatoi per ottenere dieci terawattora (TWh) di elettricità in inverno, il che corrisponde a una superficie di circa un metro quadro per abitante.