Arriva l'idrogeno agricolo! O forse no. Seconda parte

Come anticipato nella Prima parte, continuiamo la nostra disamina dei risultati del progetto HyPerFarm, Hydrogen and Photovoltaic Electrification on Farm, riportando i potenziali rischi per l'ambiente derivanti dall'utilizzo massivo dell'idrogeno nel settore agricolo.

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Sicurezza del rifornimento dei trattori con l'idrogeno prodotto in situ

Il rifornimento dei trattori con "idrogeno verde" prodotto localmente è uno degli obiettivi del progetto HyPerFarm, in linea con la dottrina del Green Deal per decarbonizzare l'agricoltura. Il progetto prevede di testare un prototipo di idrolizzatore, sviluppato dall'Università Cattolica di Lovanio, che converte in idrogeno l'acqua condensata dall'umidità ambientale utilizzando l'energia prodotta dall'impianto agrivoltaico.

Per potere utilizzare l'idrogeno si rende necessario però sviluppare una piccola stazione di rifornimento - alimentata con energia prelevata dalla rete! - composta da tre moduli: compressione, stoccaggio a 350 bar - la pressione risultata più economica secondo le analisi dei ricercatori belgi - ed erogazione ad un ipotetico trattore a idrogeno. Indipendentemente da che tipo di trattore si tratti (con motore endotermico o elettrico a celle di combustibile), i requisiti tecnici di un erogatore che consenta il rifornimento in azienda in modo sicuro ed economicamente vantaggioso sono piuttosto stringenti, nonché onerosi.

Bisogna che il sistema sia dotato di una serie di sensori/componenti:

• Un sensore di inclinazione che riconosce quando la posizione dell'erogatore non è corretta.
• Arresto di emergenza.
• Un rilevatore di idrogeno in grado di rilevare concentrazioni dieci volte inferiori al limite di esplosione/incendio, prima che si formi una miscela infiammabile.
• Le fiamme dell'idrogeno sono invisibili, è dunque necessario un rilevatore di fiamma che misuri la temperatura della radiazione infrarossa in caso di incendio.
• La partenza con il tubo di rifornimento ancora attaccato è il principale incidente di sicurezza nelle stazioni. Serve dunque un erogatore con accoppiamento staccabile, che rilascia il tubo senza rischio di perdita di idrogeno.
• Una valvola limitatrice di pressione che rilascia idrogeno quando la pressione nel sistema rischia di diventare troppo elevata a causa dell'aumento della temperatura dell'ambiente o del malfunzionamento del compressore. Sorge spontaneo domandarsi come si evita il rischio di incendio o di esplosione. Dovrebbe essere prevista una torcia come quella installata negli impianti di biogas, ma a quanto pare i ricercatori non ci hanno pensato…
• Altri componenti come sensori di pressione e temperatura del serbatoio e un misuratore di portata dell'erogatore per capire quando il serbatoio è pieno ed interrompere il flusso.

A quel che pare esiste già un distributore commerciale di idrogeno dotato di certificazione CE e di tutte le attrezzature di sicurezza suddette, ma lo studio non riferisce quale sia il costo, né una comparazione con un erogatore convenzionale di benzina o gasolio.

Impatto ambientale dei trattori ad idrogeno: maggiore compattazione del suolo

La compattazione del suolo avviene quando le particelle del terreno vengono spinte insieme e riducono lo spazio vuoto fra loro. Ciò modifica la dimensione e la forma degli aggregati nel terreno e aumenta la densità apparente del suolo. Come noto, un terreno più compatto assorbe meno acqua piovana, riduce il passaggio di aria e la capacità di assorbimento dei nutrienti delle radici, e quindi incide negativamente sulle rese agronomiche. L'agricoltore è dunque costretto ad aumentare il consumo di acqua e di fertilizzanti per mantenere la produttività.

La compattazione del suolo è causata principalmente dalle macchine agricole ed è direttamente proporzionale al peso delle stesse. Si può ridurre la pressione sul terreno aumentando la superficie di contatto, ad esempio utilizzando macchine dotate di ruote più larghe o di più assi o di cingoli. Ridurre il numero di passaggi per le lavorazioni è un'altra strategia che minimizza la compattazione del suolo, ma ciò comporta l'impiego di macchinari più potenti, quindi più pesanti, e addirittura l'aggiunta di contrappesi per aumentare la forza di trazione.

Lo studio condotto dal consorzio di ricerca riferisce che il carico statico sulle ruote delle mietitrebbie nel periodo dal 1958 al 2009 è aumentato da 1,5 a 9 tonnellate e il carico per ruota dei trattori è aumentato da 1,5 tonnellate a 4 tonnellate dal 1960 al 2000. I carichi dinamici sulle ruote durante le operazioni sul campo come l'aratura sono anche più alti. L'area di contatto pneumatico-terreno, tuttavia, non si è evoluta allo stesso ritmo, quindi la pressione sul suolo è aumentata. Ciò ha portato ad un aumento dello stress del suolo a profondità maggiori, aumentando la densità apparente, riducendo la capacità di stoccaggio dell'acqua e la conducibilità idraulica saturata, aumentando così la frequenza delle inondazioni e riducendo i tassi di allungamento delle radici.

Secondo le analisi di HyPerFarm, l'utilizzo dell'idrogeno tenderebbe ad esasperare il problema anziché ad essere di aiuto. Non si hanno ancora dati certi sui trattori ad idrogeno, ma esistono numerosi studi sui camion. Concretamente, una motrice di camion in grado di trasportare 44 tonnellate, alimentata a gasolio, pesa da 7 a 8 tonnellate. Se la stessa motrice venisse modificata per funzionare con celle a combustibile e un serbatoio di idrogeno che garantisca la stessa autonomia del modello a gasolio, il suo peso complessivo aumenterebbe fra il 25 e il 50%, quindi fino ad un massimo di 12 tonnellate. È dunque ragionevole prevedere un aumento di peso dello stesso ordine per le macchine agricole elettriche a celle di combustibile.

Nello studio di fattibilità, i ricercatori hanno ipotizzato un'attività di aratura che consuma 20 litri di gasolio per ettaro, e una capacità di lavoro di 10 ettari/giorno. Ciò significa un serbatoio con 200 litri di capacità. Secondo lo studio, un trattore a celle di combustibile equivalente peserebbe 1.200 chilogrammi in più.

Critiche dell'autore: lo studio riferisce che solo il serbatoio per l'idrogeno verrebbe a pesare 1.001 chilogrammi, più altri 250 chilogrammi per le celle a combustibile, ma con i dati di partenza che riporta, il peso del serbatoio risulta in realtà di 100,1 chilogrammi; c'è un palese errore di calcolo. Inoltre, i dati di base per le analisi sono stati presi da un paper che analizzava i sistemi di accumulo dell'idrogeno su idruri metallici, un'idea che girava già negli ambienti accademici negli Anni Ottanta, ma impraticabile. Ad ogni modo, se prendiamo come modello un trattore avente un serbatoio di circa 200 litri di capacità (180 litri per la precisione), la scheda tecnica riporta un peso in ordine di marcia di 5,5 tonnellate. Se supponiamo che la conversione ad idrogeno comporti un aumento di peso del 25% (il minimo stimato per il caso di una motrice di camion), risultano effettivamente 1,37 tonnellate in più.

In realtà, l'aumento di peso non è di per sé un problema, anzi: se correttamente distribuito, aumenta la capacità di trazione del mezzo. Se inoltre l'ipotetico trattore ad idrogeno utilizzasse cingoli o ruote larghe, come d'altronde è l'attuale tendenza, l'effetto di compattazione del suolo sarebbe identico a quello del mezzo a gasolio. Per onestà intellettuale, non sembra ragionevole ipotizzare che la diffusione di trattori ad idrogeno possa comportare l'aumento della compattazione del suolo, la perdita di produttività e l'aumento dei consumi di fertilizzanti e acqua. Semmai, tali fenomeni rimarranno invariati, indipendentemente dalla fonte energetica adottata.

Ultima riflessione: se si lasciasse da parte l'ideologia anti biodiesel, la decarbonizzazione dell'agricoltura sarebbe immediata. Il 71% del consumo energetico agricolo - almeno in Italia - corrisponde al gasolio. È un fatto dimostrato che, contrariamente a quanto afferma l'industria dei motori, le prestazioni ottenibili con il biodiesel sono quasi identiche a quelle del motore alimentato a gasolio, e le modifiche al motore sono non necessarie o minime. Anziché mischiare il 7% di biodiesel col gasolio distribuito dai benzinai, basterebbe fornire biodiesel puro, o facilitare l'autoproduzione di biodiesel FAME (olio vegetale transesterificato, un prodotto che chiunque può fare anche nel garage di casa) ai consorzi agrari.

Rischi climatici derivanti dall'uso massivo dell'idrogeno

Tutta la retorica europea sul passaggio dal petrolio all'idrogeno come vettore energetico è imperniata sulla riduzione delle emissioni di gas serra per fermare il cambiamento climatico. Nonostante il progetto HyPerFarm sia stato condotto nell'europeista Benelux e sia stato finanziato con fondi Ue, la relazione tecnica mette in evidenza fatti scientifici largamente ignorati dall'ideologia del Green Deal.

Purtroppo, la sezione corrispondente è piuttosto scarna e si limita a rimandare ad una serie di pubblicazioni autorevoli, ma accessibili solo a pagamento, o a università o istituzioni convenzionate, e inoltre alcune sono un po' datate. L'autore propone dunque una selezione di studi altrettanto autorevoli, ma accessibili al pubblico.

Il primo è un recentissimo studio di 75 pagine finanziato dalla Corona britannica e condotto dalle Università di Cambridge e Reading (¹). Lo stesso evince che il potenziale di riscaldamento globale dell'idrogeno su cento anni è di 11 ± 5 tonnellate equivalenti di CO₂/tonnellata H₂. Sull'arco dei venti anni la cifra sale a 33 tonnellate equivalenti di CO₂/tonnellata H₂, ma l'incertezza è più alta: da un minimo di 20 a un massimo di 44 tonnellate equivalenti di CO₂/tonnellata H₂, dipendendo dal modello di calcolo utilizzato.

Questi dati, pur soggetti a un largo margine d'incertezza per via della complessità della chimica atmosferica, si riferiscono agli effetti che le emissioni di H₂ avranno sugli equilibri delle specie chimiche che governano l'effetto serra: ozono, vapore d'acqua, eccetera. Infatti, tutta l'ideologia ecologista del Green Deal si concentra sulle emissioni di CO₂ imputabili al metodo di produzione dell'idrogeno e alle emissioni di CO₂ da fonte fossile che esso consente di risparmiare.

In un palese tentativo di manipolazione psicologica dell'opinione pubblica, i diversi gruppi portatori di interesse hanno coniato espressioni come "idrogeno verde", "rosa", "nero", o "blu", a seconda che sia prodotto con solare/fotovoltaico, nucleare, carbone o gas naturale, rispettivamente. Benché questo aspetto sia importante, trascura un fatto incontrovertibile: l'uso massivo dell'idrogeno comporta inevitabilmente perdite in atmosfera perché si tratta di una molecola molto piccola, in grado di diffondersi attraverso gli atomi che compongono le pareti dei contenitori. Si aggiungono anche le perdite accidentali - rotture di serbatoi e tubazioni, aperture di valvole di sfogo, atti di sabotaggio… - impossibili da prevedere, ma che inevitabilmente accadranno (²). Quantità rilevanti di H₂ immesso in atmosfera aumenteranno di fatto il riscaldamento globale perché andranno a sommarsi alla CO₂ pregressa.

Vediamo succintamente quali sono i meccanismi che rendono l'H₂ così importante per l'effetto serra atmosferico. Il primo, forse anche il più potente, è l'alterazione del tenore di radicale ossidrile (OH) nell'atmosfera, spiegata in modo semplice in una dispensa di un corso dell'Università di Harvard (3).

In estrema sintesi: l'OH si forma quando la luce solare scinde l'ozono atmosferico (O₃) e l'atomo di O libero reagisce col vapore d'acqua, formando due molecole di OH. Su scala globale, il 30% dell'OH così formatosi reagisce con l'isoprene emesso dalle foreste, una reazione fondamentale per la stabilità del ciclo dell'O₃. Un altro 15% reagisce col CH₄ atmosferico, potente gas serra la cui presenza è in parte colpa delle attività umane, ma proviene anche da emissioni naturali. La maggior parte, il 40%, reagisce con il monossido di carbonio (CO), gas contaminante risultante dai processi di combustione incontrollati (incendi, caminetti, fornelli e caldaie a legna e carbone). Infine, il 15% dell'OH rimanente reagisce con l'O₃, con i radicali idroperossido (HO₂) e infine con l'H₂. Poiché attualmente la concentrazione di H₂ nell'atmosfera è bassissima, questo gas ha poca influenza sul clima terrestre. Ma se le emissioni di H₂ dovessero aumentare drasticamente per le attività umane, l'elevata reattività fra OH e H₂ comporterebbe una riduzione della quantità di OH disponibile per le altre reazioni che attualmente mantengono in equilibrio la chimica atmosferica. L'idrogeno reagisce con l'OH, portando ad un aumento dell'ozono troposferico (indesiderabile, l'O₃ ci serve nella stratosfera), ad un aumento delle concentrazioni stratosferiche di vapore acqueo (il principale gas serra secondo la Nasa) (⁴) e diminuendo la quantità di OH disponibile per ossidare il CH₄ atmosferico ed il CO.

Impossibile prevedere quali potrebbero essere le conseguenze. Di certo, una diminuzione dell'attuale tasso di neutralizzazione del CH₄ comporterà l'aumento della concentrazione di questo potente generatore di effetto serra, quindi l'utilizzo massivo dell'H₂ rischia di diventare un problema maggiore di quello che si tenta di risolvere eliminando i combustibili fossili.

Considerando questi effetti, dobbiamo essere consapevoli che l'adozione massiva dell'idrogeno come sostituto del gasolio in agricoltura potrebbe portare ad un gran numero di possibili punti di perdite. Ulteriori approfondimenti su come potrebbero verificarsi perdite di idrogeno in un contesto agricolo, quali altri rischi comportano - oltre a quelli climatici - e come prevenirli, è ancora materia di ricerca.

Bibliografia

(¹) Nicola Warwick, Paul Griffiths, James Keeble, Alexander Archibald, John Pyle, Keith Shine; Atmospheric implications of increased Hydrogen use; OGL, Aprile 2022.

(²) Bertagni, M.B., Pacala, S.W., Paulot, F. et al. Risk of the hydrogen economy for atmospheric methane. Nat Commun 13, 7706 (2022).

(³) ESPERE Climate Encyclopaedia - Lower Atmosphere More - English offline version supported by the International Max Planck Research School on Atmospheric Chemistry and Physics. Accessibile da questa pagina.

(⁴) Nasa; Studying Earth's Stratospheric Water Vapor, Aprile 2021.