Idrogeno dall'acqua : Il "PUNTO" secondo ChatGPT

Di seguito trovi un riepilogo strutturato in tabella dei principali metodi oggi noti (industrializzati, dimostrativi o sperimentali) che partono dall’acqua per produrre idrogeno, con particolare attenzione al tipo di energia richiesta per la scissione dell’H₂O.

Metodi di produzione dell’idrogeno a partire dall’acqua

 

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Metodo	Stato di sviluppo	Principio di funzionamento	Energia necessaria alla scissione dell’acqua (note)
Elettrolisi alcalina (AEL)	Industrializzato	Corrente elettrica scinde l’acqua in H₂ e O₂ usando elettrolita alcalino (KOH/NaOH)	Energia elettrica (tipicamente 50–55 kWh/kg H₂); può provenire da fonti rinnovabili o fossili
Elettrolisi a membrana polimerica (PEM)	Industrializzato	Elettrolisi con membrana a scambio protonico	Energia elettrica; maggiore densità di corrente, adatta a rinnovabili intermittenti
Elettrolisi ad ossidi solidi (SOEC)	Pilota / pre-industriale	Elettrolisi del vapore ad alta temperatura (700–850 °C)	Energia elettrica + energia termica (calore riduce il fabbisogno elettrico)
Fotoelettrolisi (PEC)	Sperimentale	Materiali semiconduttori usano la luce per separare H₂O	Energia solare diretta (fotoni); senza elettricità esterna ideale
Fotocatalisi	Sperimentale	Catalizzatori attivati dalla luce promuovono la reazione	Energia solare; rendimenti ancora molto bassi
Cicli termochimici (es. zolfo–iodio)	Dimostrativo / R&D	Serie di reazioni chimiche chiuse che dissociano l’acqua	Energia termica ad alta temperatura (>800–900 °C), tipicamente da solare a concentrazione o nucleare
Scissione termica diretta dell’acqua	Teorico / sperimentale	Dissociazione diretta di H₂O ad altissime temperature	Energia termica estrema (>2000 °C); non praticabile industrialmente
Elettrolisi microbica (MEC)	Sperimentale	Batteri facilitano la produzione di H₂ da acqua	Energia elettrica a bassa tensione + energia biochimica
Radiolisi dell’acqua	Sperimentale / nucleare	Radiazioni ionizzanti scindono le molecole d’acqua	Energia nucleare (radiazioni); non usata a scala industriale

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Sintesi rapida

·       Oggi industrializzati: elettrolisi alcalina e PEM

·       Più promettenti per il futuro: SOEC e cicli termochimici (se disponibili grandi fonti di calore pulito)

·       Ancora di ricerca: fotoelettrolisi, fotocatalisi, radiolisi

Se vuoi, posso anche:

·       evidenziare quali metodi sono davvero:       idrogeno verde,

·       confrontare efficienze e costi,

·       oppure adattare la tabella per uso didattico o presentazioni tecniche.

Hai detto:

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1 Quali metodi producono davvero idrogeno verde

L’idrogeno è definito “verde” non dal metodo in sé, ma dalla fonte di energia usata per

scindere l’acqua. Tuttavia, alcuni metodi sono intrinsecamente più adatti a essere verdi.

 

Metodi potenzialmente 100% verdi

Sono verdi se alimentati esclusivamente da fonti rinnovabili (o nucleare, se accettato):

·       Elettrolisi alcalina (AEL)
✔ Verde con elettricità da solare, eolico, idroelettrico

·       Elettrolisi PEM
✔ Verde con elettricità rinnovabile; oggi è la più usata per impianti “power-to-hydrogen”

·       Elettrolisi SOEC
✔ Verde se sia elettricità che calore sono rinnovabili (solare a concentrazione, geotermia, nucleare)

·       Fotoelettrolisi (PEC)
✔ Verde per definizione: usa direttamente energia solare

·       Fotocatalisi
✔ Verde per definizione: solo luce solare

Metodi non intrinsecamente “verdi”

Possono essere a basse emissioni, ma non rientrano sempre nella definizione classica di idrogeno verde:

·       Cicli termochimici
➜ Verdi solo se il calore è rinnovabile (solare CSP)

·       Radiolisi dell’acqua
➜ Associata al nucleare (talvolta classificata come “idrogeno rosa”)

·       Elettrolisi microbica
➜ Ancora sperimentale, non classificata industrialmente

In breve

👉 Oggi, l’idrogeno verde reale sul mercato è quasi esclusivamente prodotto con elettrolisi AEL o PEM alimentata da rinnovabili.

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2 Confronto tra efficienze e costi (ordine di grandezza)

I valori sotto sono indicativi e dipendono fortemente da scala, tecnologia e costo dell’energia.

Tabella comparativa

Metodo	Efficienza energetica	Costo H₂ (€/kg)	Commento chiave
Elettrolisi alcalina (AEL)	60–70%	~3–6 €	Tecnologia matura, costi più bassi oggi
Elettrolisi PEM	60–75%	~4–7 €	Più flessibile, ma catalizzatori costosi
Elettrolisi SOEC	75–85% (potenziale)	~3–5 € (futuro)	Molto efficiente, ma alta temperatura critica
Fotoelettrolisi (PEC)	5–15%	>10 €	Grande potenziale, ma lontana dalla maturità
Fotocatalisi	<5%	n.d.	Ancora ricerca di base
Cicli termochimici	40–55%	~4–6 € (stimato)	Richiedono calore >800 °C
Radiolisi	n.a.	Molto alto	Solo contesti nucleari specifici

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Considerazioni chiave

·       Il costo dell’elettricità è il fattore dominante (60–80% del costo finale dell’H₂).

·       PEM e AEL sono oggi le uniche soluzioni commerciali per idrogeno verde.

·       SOEC è la tecnologia più promettente a medio-lungo termine, se integrata con fonti di calore pulito.

·       Le tecnologie solari dirette sono scientificamente affascinanti, ma non ancora competitive.

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La valutazione termodinamica chiarisce perché certi metodi non potranno mai superare alcuni limiti, indipendentemente dai progressi tecnologici.

Di seguito trovi una trattazione sintetica ma rigorosa dei limiti termodinamici della scissione dell’acqua, con riferimenti diretti alle tecnologie di produzione dell’idrogeno.

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1 Termodinamica fondamentale della scissione dell’acqua

La reazione è:

H2O(l)→H2(g)+12O2(g)H2​O(l)→H2​(g)+21​O2​(g)

Alle condizioni standard (25 °C, 1 bar):

·       ΔH° = +285,8 kJ/mol → energia totale richiesta (entalpia)

·       ΔG° = +237,1 kJ/mol → lavoro minimo teorico richiesto

·       TΔS° ≈ 48,7 kJ/mol → quota fornibile come calore

Significato fisico

·       ΔG → energia che deve essere fornita come lavoro (elettrico o equivalente)

·       TΔS → parte che può essere fornita come calore

👉 Nessun processo può richiedere meno di ΔG, per il secondo principio.

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2 Limite teorico dell’elettrolisi (efficienza massima)

Tensione reversibile

Erev=ΔGnF≈1,23 VErev​=nFΔG​≈1,23 V

·       Limite assoluto per elettrolisi a 25 °C

·       Qualsiasi tensione >1,23 V implica perdite irreversibili

Efficienza termodinamica ideale

ηmax=ΔGΔH≈83%ηmax​=ΔHΔG​≈83%

👉 Anche un elettrolizzatore perfetto non può superare ~83% se alimentato solo elettricamente a bassa temperatura.

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3 Perché l’alta temperatura aiuta (SOEC)

All’aumentare della temperatura:

·       ΔG diminuisce

·       TΔS aumenta

·       ΔH rimane quasi costante

Esempio semplificato:

Temperatura	ΔG/ΔH
25 °C	~83%
800 °C	~70%
1000 °C	~60%

👉 Parte dell’energia viene fornita come calore, riducendo il lavoro elettrico necessario.

Limite di SOEC

·       L’efficienza elettrica può superare il 100%

·       Ma l’efficienza totale                   exergia resta ≤100%

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4 Limite termodinamico della scissione termica diretta

La reazione:

H2O⇌H2+12O2H2​O⇌H2​+21​O2​

è fortemente spostata verso H₂O a basse temperature.

Temperatura	Grado di dissociazione
2000 K	<1%
2500 K	~3–5%
3000 K	~10%

👉 Anche a temperature estreme la conversione è bassa → servono:

·       separazioni rapide,

·       recupero di calore quasi perfetto.

Limite pratico imposto dal secondo principio + equilibrio chimico.

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5 Limiti delle tecnologie solari dirette (PEC, fotocatalisi)

Qui entra in gioco la termodinamica dei fotoni.

Requisiti minimi

·       Energia per elettrone ≥ 1,23 eV

·       In pratica ≥ 1,6–2,0 eV (per sovratensioni)

Limite di Shockley–Queisser (adattato)

·       Massima efficienza teorica PEC: ~30%

·       Limiti dovuti a:

·       perdite per rilassamento,

·       ricombinazione,

·       spettro solare non sfruttabile interamente.

👉 La fotocatalisi è ancora più limitata (<10% teorico).

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6 Exergia: il vero criterio di confronto

Definizione

·       Exergia = quota di energia convertibile in lavoro utile

·       L’idrogeno ha exergia                   ≈       PCI ≈ 120 MJ/kg

Confronto concettuale

Processo	Distruzione di exergia
Elettrolisi bassa T	Alta (overpotenziali)
Elettrolisi SOEC	Più bassa
Cicli termochimici	Dipende dal recupero di calore
Scissione termica diretta	Molto alta

👉 Il processo migliore è quello che distrugge meno exergia, non quello con la resa apparente più alta.

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7 Conclusioni chiave (termodinamica pura)

1.     ΔG è il muro invalicabile: nessuna tecnologia può scendere sotto.

2.     L’elettrolisi tradizionale è già vicina al limite teorico.

3.     L’alta temperatura sposta il carico energetico dall’elettricità al calore, non lo elimina.

4.     Le tecnologie solari dirette sono limitate dalla fisica dei semiconduttori, non dall’ingegneria.

5.     L’exergia è il parametro corretto per confrontare processi diversi.

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NOTA BENE:

1 Due affermazioni che sembrano in conflitto

Le due frasi sono:

1.     “L’alta temperatura aiuta la scissione dell’acqua”

2.     “La reazione H₂O ⇌ H₂ + ½ O₂ è fortemente spostata verso H₂O a basse temperature”

In realtà:

·       la seconda spiega la prima

·       non la contraddice

Vediamo perché.

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2 Equilibrio chimico: cosa dice davvero

La reazione di dissociazione è endotermica:

ΔH>0

Per la legge di Le Châtelier:

·       ↑ T → equilibrio spostato verso prodotti (H₂ + O₂)

·       ↓ T → equilibrio spostato verso reagenti (H₂O)

👉 Dire che a basse temperature l’equilibrio è fortemente verso H₂O è esattamente il motivo per cui serve alta temperatura per aiutare la dissociazione.

Non c’è opposizione logica.

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3 Perché allora “l’alta temperatura aiuta” ma “non basta”

Qui entra il punto chiave.

3.1 Effetto dell’alta temperatura

·       Aumenta K(T) (costante di equilibrio)

·       Riduce ΔG(T):

ΔG=ΔH−TΔSΔG=ΔH−TΔS

Quindi:

·       la dissociazione diventa meno sfavorita

·       la frazione di H₂ all’equilibrio aumenta

3.2 Ma l’aiuto è quantitativamente insufficiente

Anche a temperature molto elevate:

T (K)	Grado di dissociazione
1500	~0,1 %
2000	<1 %
3000	~10 %

👉 L’equilibrio si sposta, ma non abbastanza per un processo industriale semplice.

Quindi:

·       alta T aiuta (vero)

·       non rende la scissione diretta praticabile (anche vero)

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4 Confronto con elettrolisi e SOEC (punto chiave)

Qui spesso nasce la confusione.

Scissione termica diretta

·       Si affida solo all’equilibrio chimico

·       Limitata da:

·       equilibrio,

·       separazione dei prodotti,

·       enorme distruzione di exergia

Elettrolisi ad alta T (SOEC)

·       NON lavora all’equilibrio chimico

·       Fornisce lavoro elettrico che forza la reazione

·       Il calore:

·       riduce il lavoro minimo richiesto

·       non deve spostare l’equilibrio da solo

 

 Qui l’alta temperatura aiuta davvero in modo decisivo, perché sostituisce lavoro con calore, cosa

 vietata nella scissione puramente termica.

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5 Perché le due frasi vanno lette insieme

Mettiamole in forma rigorosa:

🔹 L’alta temperatura sposta l’equilibrio di dissociazione dell’acqua verso H₂ e O₂, ma anche a temperature estreme la conversione resta bassa; per questo la scissione termica diretta non è praticabile.

🔹 Proprio perché a basse temperature l’equilibrio è fortemente verso H₂O, servono lavoro elettrico o cicli chimici per forzare la reazione.

Letta così, la coerenza è totale.

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6 Sintesi in una riga (da “manuale”)

L’alta temperatura è una condizione necessaria ma non sufficiente per la scissione dell’acqua: migliora l’equilibrio, ma solo il lavoro (elettrico o chimico) permette conversioni elevate.