Che cos'è l'idrogeno
L’idrogeno, l’elemento più leggero e abbondante dell’universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare a causa della sua estrema volatilità ma è molto diffuso sotto forma di composti (come ad esempio nell'acqua) e può quindi essere prodotto a partire da diverse fonti. L’interesse per il suo impiego come combustibile, sia per applicazioni stazionarie che per la trazione, deriva dal fatto che l’inquinamento prodotto è quasi nullo; infatti, se usato in sistemi a combustione produce vapor d’acqua e tracce di ossidi di azoto, se utilizzato con sistemi elettrochimici con celle a combustibile produce solo vapor d'acqua.

Produzione dell'idrogeno
Per quanto riguarda la produzione, necessaria proprio perchè l'idrogeno non è disponibile allo stato elementare, le fonti primarie di partenza possono essere sia fossili che rinnovabili.
La produzione di idrogeno da fonti rinnovabili è sicuramente la più corretta da un punto di vista ambientale, perchè in questo modo il processo risulta totalmente pulito e sostenibile.

L’idrogeno può essere prodotto dall’acqua scindendo la stessa nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno) attraverso diversi processi, tra i quali quello più consolidato è l’elettrolisi. Schematicamente questa è rappresentata dalla seguente reazione: acqua più energia elettrica uguale idrogeno più ossigeno:

Si può notare subito che la reazione di elettrolisi risulta esattamente inversa a quella che avviene nelle celle a combustibile. Pertanto, l’intero processo di produzione e consumo è ambientalmente sostenibile purché sia disponibile una corrispondente quantità di energia elettrica pulita in grado di alimentare il processo di elettrolisi.
È immediato pensare al sole come sorgente di questa energia, sfruttabile attraverso l’utilizzo di impianti di conversione fotovoltaica, la cui tecnologia già oggi può essere considerata tecnicamente affidabile e adeguata.

Infatti, mediante l’uso di energia solare fotovoltaica si può produrre idrogeno elettrolitico e ossigeno che poi possono essere fatti ricombinare nelle celle a combustibile per produrre l’energia elettrica di cui abbiamo bisogno.

Come prodotto finale di scarto si genera una quantità di acqua pura pressappoco uguale a quella di partenza, chiudendo in tal modo il ciclo senza emissioni inquinanti.

Utilizzo dell'idrogeno
Le due principali utilizzazioni previste in futuro per l’idrogeno e per cui si sta lavorando attualmente nei laboratori di ricerca applicata riguardano l’impiego come combustibile per la generazione di energia elettrica e per il trasporto. Impianti per la produzione centralizzata di energia elettrica e motori a combustione interna alimentati a idrogeno sono già fattibili sulla base delle tecnologie esistenti e anche con emissioni sensibilmente ridotte rispetto a quelle degli impianti convenzionali.
Deve tuttavia essere ulteriormente migliorato il rendimento e abbassati i costi; per questo sono in corso di sperimentazione materiali e soluzioni innovative che dovrebbero arrivare a maturazione nel giro di alcuni anni.

L'utilizzo dell'energia prodotta dagli impianti fotovoltaici per la produzione di idrogeno può essere una soluzione molto efficace per risolvere i problemi legati all'intermittenza tipica di una fonte energetica rinnovabile; infatti la fonte solare non è sempre disponibile e la quantità di energia elettrica producibile è continuamente variabile nel corso della giornata e dei mesi.
In questo senso il vettore idrogeno si configura come un vero e proprio sistema di accumulo: viene prodotto utilizzando le eccedenze di produzione dell'impianto fotovoltaico (ad esempio nelle ore centrali della giornata) e viene riconvertito in energia elettrica dalle fuel cells quando non sono disponibili altre fonti di energia (ad esempio durante un black-out).

Gli impianti fotovoltaici connessi in rete non risentono del problema dell'intermittenza, in quanto la rete elettrica fornisce l'energia elettrica necessaria quando l'impianto produce di meno (mattina e sera) o non produce (notte).
La combinazione di impianto fotovoltaico e celle a combustibile risulta però strategica come soluzione anti black-out, cioè quando anche la rete elettrica non è in grado di fornire energia; questo problema è molto importante per tutte le utenze che richiedono continuità di fornitura (applicazioni mediche, informatiche, industriali, ...).
Inoltre l'idrogeno prodotto può essere utilizzato per i trasporti (alcune case automobilistiche hanno già sviluppato modelli di automobili e ciclomotori a idrogeno) e per particolari applicazioni industriali.

Lo strumento principale il cui sviluppo condizionerà pesantemente la reale affermazione dell’idrogeno come vettore energetico pulito è senza dubbio la cella a combustibile (fuel cell).

Come funziona una fuel cell
Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'idrogeno in elettricità, senza passare attraverso cicli termici e quindi senza risentire delle limitazioni imposte a questi ultimi dalla termodinamica. In sostanza funziona in modo analogo ad una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; a differenza di quest’ultima, tuttavia, consuma sostanze provenienti dall’esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile ed ossidante.

Le fuel cell hanno una struttura a tre strati, di cui quello centrale, compreso tra il catodo e l'anodo, costituisce o contiene l'elettrolito. Le reazioni che avvengono agli elettrodi consumano fondamentalmente idrogeno e ossigeno e producono acqua, attivando un passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno. L’elettrolita, che ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall’altra, chiude il circuito elettrico all’interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore.

FASE 1. All'interno di due circuiti separati idrogeno e ossideno fluiscono nella zona prossima ai catalizzatori.

FASE 2. Al contatto con l'anodo, le molecole di idrogeno si scindono, liberando ioni positivi, che si spostano verso il catodo, ed elettroni che percorrono un circuito esterno, producendo energia elettrica.

FASE 3. Gli elettroni proseguono verso il catodo dove si ricombinano con i protoni; gli atomi di idrogeno ricomposti si ossidano (si combinano con quelli di ossigeno).

FASE 4. Il residuo di questo processo è formato da acqua pura (due atomi di idrogeno e uno di ossigeno)