Siamo osservati con sospetto da decine di mucche. Il loro respiro si appanna in modo da cartone animato dalle loro narici.

È una mattina frizzante nella nevosa Hokkaido, un'isola nel nord del Giappone. L'aria fredda porta con sé il distinto odore di letame di mucca, un effetto collaterale puzzolente ma familiare della fiorente industria casearia della regione. Rappresentando il 20% della massa continentale del paese , quest'isola è la seconda più grande del Giappone. È anche la casa di oltre un milione di mucche , che producono oltre la metà del latte e dei prodotti caseari del paese.

Stiamo visitando una fattoria in Hokkaido che vuole trasformare la fonte dell'aroma pungente nell'aria in qualcosa di prezioso. Stanno trasformando il letame bovino in idrogeno. 

Quando viene bruciato, l'idrogeno non emette carbonio, il che lo rende un'alternativa interessante ai combustibili fossili. Ci sono speranze diffuse che possa essere utilizzato come combustibile sostenibile per riscaldare le case e alimentare auto , treni , aerei e navi in ??futuro. 
 

Ma il modo più comune di produrre idrogeno oggi prevede l'uso di metano , un combustibile fossile che fuoriesce dalle profondità del sottosuolo, il che significa che è ancora associato a significative emissioni di carbonio . L'idrogeno può anche essere prodotto scindendo l'acqua usando l'elettricità , ma può essere costoso e ha basse emissioni di carbonio solo se vengono utilizzate fonti di elettricità rinnovabili.

La Shikaoi Hydrogen Farm, tuttavia, utilizza una fonte diversa, un prodotto di scarto di cui non c'è carenza a Hokkaido. Ogni anno a Hokkaido vengono prodotte circa 20 milioni di tonnellate di letame bovino . Se non trattato correttamente, può rappresentare un peso per l'ambiente, producendo significative emissioni di metano e influenzando la qualità dell'acqua se lasciato fuoriuscire in corsi d'acqua e fiumi. Quindi può essere utilizzato come fonte di energia sostenibile?  

 

"Questo progetto per produrre idrogeno dal letame del bestiame è nato in Giappone ed è unico per questo posto", afferma Maiko Abe di Air Water, una delle numerose aziende coinvolte nel progetto della fattoria dell'idrogeno. Stiamo visitando la struttura a Shikaoi, una città nel centro di Hokkaido, per filmare un episodio imminente di TechXplore della BBC incentrato sul Giappone. "Shikaoi rappresenta il 30% dei rifiuti e dell'urina delle mucche di Hokkaido, quindi ha un grande potenziale per l'energia rinnovabile".

Lanciato nel 2015 dal Ministero dell'Ambiente giapponese, il progetto mira a convertire i sottoprodotti agricoli in idrogeno per rifornire la comunità rurale locale in un'economia circolare. Gli escrementi e l'urina delle mucche vengono raccolti dalle fattorie lattiero-casearie locali prima di essere immessi in un digestore anaerobico presso una struttura centrale. Qui i batteri scompongono i rifiuti organici per produrre biogas e un fertilizzante liquido. Il biogas viene quindi purificato in metano che viene utilizzato per produrre idrogeno. 
 

L'impianto ha ora una capacità di produzione di idrogeno di 70 metri cubi (18.500 galloni), con una stazione di rifornimento in loco che può rifornire circa 28 veicoli dotati di celle a combustibile a idrogeno al giorno, afferma Abe. Sebbene il carburante possa essere utilizzato da auto con celle a combustibile, la stazione di rifornimento dell'impianto è stata appositamente progettata per ospitare veicoli agricoli come trattori e carrelli elevatori. Questi veicoli agricoli sono difficili da elettrificare con batterie a causa delle loro dimensioni e del tipo di lavoro che svolgono. I veicoli alimentati a idrogeno vengono utilizzati nei siti delle aziende agricole, riducendo le emissioni che altrimenti verrebbero create utilizzando altre fonti di carburante. 

L'idrogeno prodotto dal bestiame viene anche immagazzinato in contenitori che vengono trasportati per fornire energia elettrica e calore ad altre strutture della zona, tra cui un allevamento locale di storioni e il vicino zoo di Obihiro.

"Produrre e immagazzinare l’idrogeno su larga scala può richiedere grandi quantità di energia e infrastrutture"

Ma l'idrogeno non è esente da problemi. Deve essere immagazzinato in serbatoi ad alta pressione come gas e può essere soggetto a perdite a causa del suo basso peso molecolare. Può anche degradare i contenitori di stoccaggio in metallo , rendendoli fragili, e può facilmente incendiarsi, quindi richiede ulteriori precauzioni di sicurezza quando lo si maneggia.

L'idrogeno può anche essere immagazzinato come liquido raffreddandolo a temperature criogeniche inferiori a -253 °C (-423 °F), ma questa operazione può richiedere molta energia e grandi quantità di infrastrutture aggiuntive. 
 

L'idrogeno ha un contenuto energetico quasi tre volte superiore a quello della benzina (benzina) se preso in base alla sola massa. Ma il suo basso peso molecolare significa anche che, in termini di volume, l'energia contenuta in un litro di idrogeno liquido è un quarto di quella della benzina . In parole povere, essendo il gas più leggero dell'Universo, l'idrogeno occupa più spazio chilogrammo per chilogrammo della benzina. Ciò significa che è necessario molto più spazio di stoccaggio per l'idrogeno rispetto ai combustibili fossili come benzina, gasolio e gas naturale. Significa anche che produrlo e immagazzinarlo su larga scala può richiedere grandi quantità di energia e infrastrutture.

Ma oltre a questi ostacoli, il progetto della centrale a idrogeno di Hokkaido deve affrontare anche altre sfide specifiche dovute al clima del Giappone settentrionale.

Gli inverni gelidi di Hokkaido impongono nuove tecnologie per produrre idrogeno in modo stabile, senza le piccole quantità di vapore acqueo presenti nel congelamento del metano.

L'utilizzo di rifiuti agricoli come fonte di metano per produrre idrogeno è relativamente poco comune, ma in ultima analisi utilizza lo stesso processo utilizzato per produrre idrogeno dal gas naturale: steam reforming . Qui, il vapore riscaldato a 800 °C (1.472 °F) reagisce con il metano per produrre idrogeno, insieme ai sottoprodotti monossido di carbonio e anidride carbonica (CO2). 

Nel caso del letame bovino, tuttavia, afferma Abe, il progetto rimane sostenibile poiché questo carbonio ha avuto origine dall'erba su cui pascolavano le mucche: "Dato che originariamente si trovava nell'atmosfera, è considerato a impatto zero sul carbonio".

Inoltre, aiuta a impedire che il metano, che altrimenti verrebbe emesso dal letame, finisca nell'atmosfera, dove è un potente gas serra .

I residui di liquame derivanti dal letame dopo l'estrazione del biogas vengono spruzzati come fertilizzante nei campi circostanti, mentre l'acido formico , che viene sia utilizzato che creato nei processi, potrebbe essere offerto come conservante per i mangimi per il bestiame, afferma Abe. 

Attualmente, l'elettricità necessaria per produrre e immagazzinare l'idrogeno proviene dalla rete elettrica nazionale. Ma Abe afferma che c'è il potenziale per passare all'energia verde, dato il promettente potenziale marino, eolico e geotermico di Hokkaido, riducendo così le emissioni di carbonio di questa elettricità.

Tuttavia, restano altre sfide. L'elevato costo dell'idrogeno rispetto ai combustibili fossili e la bassa domanda rendono difficile l'espansione dell'attività. 

"I costi di costruzione delle stazioni di idrogeno sono molto alti", afferma Abe. "Dato che i veicoli a idrogeno non sono ancora molto diffusi, stiamo mantenendo bassa la nostra capacità di rifornimento per gestire l'investimento iniziale. Con l'aumento dell'adozione, amplieremo l'offerta".

Per incoraggiare l'adozione di veicoli a idrogeno nella zona, i prezzi dell'idrogeno sono sovvenzionati dall'impianto, in linea con il costo della benzina. Sono inoltre in fase di sviluppo stazioni di rifornimento di idrogeno nelle principali città di Hokkaido, come Sapporo e Muroran.

Misuratore di hype

Il processo per produrre idrogeno pulito da letame bovino nella Shikaoi Hydrogen Farm merita attenzione, soprattutto perché riduce anche il metano che altrimenti verrebbe rilasciato dal letame. Con altri paesi che stanno esplorando come utilizzare altri tipi di rifiuti, dallo sterco di maiale alle bucce di cocco , per produrre idrogeno utilizzando processi simili, sembra che questo potrebbe essere un modello adattabile ad altri contesti locali.

Tuttavia, con una scala ancora piccola e costi di produzione elevati, resta da vedere quanto diffusa possa essere questa industria. Esistono anche altri modi per produrre carburante dai rifiuti delle mucche, come usare semplicemente il biogas prodotto dal letame come carburante senza doverlo convertire in idrogeno. 

Il Giappone è il leader mondiale nei veicoli a idrogeno e ha investito notevolmente nello sviluppo della tecnologia. Ma per ora i veicoli elettrici alimentati a batteria rimangono più economici di quelli alimentati a idrogeno.

Sebbene sia improbabile che il letame bovino da solo possa mai soddisfare la domanda di idrogeno del Giappone, potrebbe comunque dare un contributo significativo e Shikaoi sta creando un modello di economia circolare che, si augura, mostrerà come i costi possano ridursi grazie alle economie di scala. 

E c'è un crescente interesse in altre parti del mondo nell'utilizzare materiali di scarto per produrre idrogeno, con sterco di maiale, rifiuti di pollame e persino gusci di cocco che sono stati esplorati come potenziali materie prime. In Thailandia, il produttore di veicoli Toyota sta persino esplorando l'uso di idrogeno ricavato da rifiuti di pollo per alimentare i suoi veicoli .

Nel frattempo, gli ingegneri dell'Università dell'Illinois di Chicago negli Stati Uniti hanno recentemente sviluppato un altro metodo promettente per produrre idrogeno che utilizza il letame. Nel loro caso, hanno utilizzato il letame, insieme a scarti di canna da zucchero e bucce di mais, per produrre biochar, una sostanza ricca di carbonio che riduce notevolmente la quantità di elettricità necessaria per convertire l'acqua in idrogeno.

"Siamo il primo gruppo a dimostrare che è possibile produrre idrogeno utilizzando la biomassa a una frazione di volt", afferma Meenesh Singh, ingegnere chimico presso l'Università dell'Illinois di Chicago, che ha guidato il progetto.

Nel frattempo, nella città di Fukuoka, nel sud del Giappone, sull'isola di Kyushu, un altro prodotto di scarto viene utilizzato per produrre idrogeno: in questo caso, lo sterco è umano.

Per più di un decennio, l'idrogeno è stato creato presso l'impianto di depurazione della città per essere utilizzato nei veicoli alimentati a idrogeno. Più di recente è stato utilizzato per alimentare una flotta di camion della spazzatura a zero emissioni.

Akira Miyaoka, responsabile dell'utilizzo dell'idrogeno per la città di Fukuoka, afferma che i camion che trasportano prodotti quotidiani sono la principale fonte di CO2 della città, piuttosto che le grandi fabbriche come in molte altre città. "Stiamo quindi lavorando per ridurre le emissioni di CO2 dei camion commerciali", afferma.

L'iniziativa è nata dalla collaborazione tra l'Università di Kyushu e la città di Fukuoka, ma ora coinvolge diverse grandi aziende, tra cui Toyota .

"Le acque reflue sono un elemento che viene scaricato quotidianamente e in modo costante nella vita quotidiana dei cittadini, quindi sfruttandole in modo efficace ed estraendo l'idrogeno come energia, possiamo raggiungere una produzione e un consumo di energia locali", afferma Miyaoka. 

La generazione di idrogeno dai rifiuti umani inizia con l'acqua proveniente da varie fonti domestiche, tra cui docce, lavastoviglie e servizi igienici, che arriva all'impianto di trattamento. Mentre l'acqua viene pulita, i fanghi residui vengono conservati come fonte di biogas e convertiti in idrogeno. 

"Le acque reflue e il biogas contengono varie impurità, quindi il processo inizia con la rimozione di tali impurità, che ritengo sia un po' diversa dagli altri processi di produzione dell'idrogeno", afferma Miyaoka.

Nel 2024, Toyota ha aiutato la città a lanciare la prima flotta di veicoli di servizio alimentati a idrogeno del Giappone, tra cui ambulanze, furgoni per le consegne e camion della spazzatura. I funzionari dell'impianto di trattamento delle acque reflue affermano che è in grado di produrre 300 kg (661 libbre) di idrogeno in 12 ore, sufficienti per alimentare 30 camion. 

I camion della spazzatura escono sei notti alla settimana, raccogliendo ciascuno 1,7 tonnellate (3.700 libbre) di rifiuti, il tutto viaggiando silenziosamente e senza emissioni, sfruttando i rifiuti corporei delle persone da cui raccolgono altri rifiuti.

La stazione di rifornimento di idrogeno dalle acque reflue di Fukuoka è operativa dal 2015 e molti altri paesi nel mondo stanno adottando un approccio simile.

Concord Blue ha sviluppato impianti di conversione dei rifiuti in energia in Germania, India, Giappone e Stati Uniti, convertendo rifiuti e biomassa in idrogeno e bioenergia. Anche diverse autorità idriche nel Regno Unito stanno lavorando a progetti per ricavare idrogeno dalle acque reflue .

Nel Regno Unito è stato sviluppato anche un prototipo di auto da corsa utilizzando idrogeno derivato da liquami. Il Warwick Manufacturing Group (WMG), in partnership con Severn Trent Water, sta sfruttando microbi che generano idrogeno combustibile dai rifiuti . Prevedono che la tecnologia potrebbe raggiungere il grande pubblico entro cinque anni, nonostante le attuali sfide. ( Leggi come le auto alimentate da liquami potrebbero essere il futuro del motorsport .)

Su scala più ampia, l'aviazione è responsabile del 2% delle emissioni globali di carbonio e i ricercatori di un laboratorio nel Regno Unito hanno sviluppato un carburante per aerei ricavato interamente da liquami umani .

Tuttavia, nonostante le promesse, tutte queste tecnologie devono ancora essere implementate su larga scala.

Che si tratti di paesaggi rurali o urbani, i progetti giapponesi che abbiamo visto durante le riprese sono fonte di ispirazione perché hanno al centro la comunità locale.

Sebbene l'adozione di automobili a idrogeno sia in stallo , l'adozione di camion a idrogeno sta aumentando gradualmente e sono questi veicoli industriali più grandi e pesanti a contribuire in modo più significativo alle emissioni di gas serra per veicolo.

Reinventando i rifiuti come una risorsa, questi progetti dimostrano che l'energia può essere trovata anche nei luoghi più improbabili.

(Paul Carter e Kitty Knowles su BBC del 15/03/2025)