Il PNNR assegna 3,64 miliardi di euro allo sviluppo dell’idrogeno, con l’obiettivo di ridurre le emissioni di CO2 nell’industria hard-to-abate e nella mobilità pesante su gomma e su tratte ferroviarie selezionate non elettrificate e non elettrificabili. Punta, inoltre, a supportare la creazione di hydrogen valley e a favorire la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie che garantiscano sic urezza e sostenibilità, sia ambientale sia economica, all’intera filiera dell’idrogeno.
Sull’ammontare complessivo delle risorse, 160 milioni di euro sono dedicati ad attività di ricerca e sviluppo per migliorare la conoscenza delle tecnologie. Di questi, 110 milioni sono destinati alla realizzazione di un Piano Operativo di Ricerca (POR), che affronta l’intera catena del valore, dalla produzione al trasporto, dalla distribuzione allo storage e agli usi finali.
Un piano di ricerca nazionale
Il Piano Operativo di Ricerca è affidato all’ENEA, Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile, ed è stato finanziato dal Ministero della Transizione Ecologica, oggi Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, coprendo circa il 70% dei fondi nazionali per la ricerca sull’idrogeno. Come nasce questo progetto? Con quali obiettivi? Lo abbiamo chiesto a Giorgio Graditi, nominato Direttore Generale ENEA (in attesa di entrare in carica mentre scriviamo, NdR) e ancora direttore del dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili.
«Il POR si inquadra nell’ambito della strategia nazionale sull’idrogeno delineata dal PNRR e di quella europea, che identificano nell’idrogeno low carbon una delle soluzioni prioritarie per la decarbonizzazione del sistema energetico. Mira a ottimizzare le tecnologie esistenti, incrementandone la competitività, e a svilupparne di nuove. Diverse tecnologie e applicazioni per l’idrogeno possono considerarsi potenzialmente mature per l’immissione sul mercato, sebbene siano ancora necessari sforzi di ricerca e innovazione per migliorarne, in generale, l’efficienza, la durata, la producibilità, le modalità di distribuzione e utilizzo su larga scala, nonché ridurne i costi», spiega Graditi.
Domanda: Chi sono i partner coinvolti nel POR, con quali competenze e quali ruoli?
Risposta: Nell’ambito dell’Accordo di Programma sottoscritto con il Ministero della Transizione Ecologica, oggi Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, ENEA rappresenta il soggetto realizzatore che in collaborazione con CNR e RSE avrà il compito di svolgere attività di ricerca, sviluppo e innovazione nell’intera catena del valore dell’idrogeno, che comprende produzione, stoccaggio, distribuzione e usi finali.
D: Come sono ripartite le risorse e con quali obiettivi?
R: Per raggiungere questo obiettivo, il POR ripartisce le risorse in 40 milioni di euro per la produzione di idrogeno verde e pulito, 30 milioni di euro per le tecnologie di stoccaggio, trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuel, 30 milioni di euro per le celle a combustibile destinate ad applicazioni stazionarie e di mobilità e 10 milioni di euro per i sistemi intelligenti di gestione integrata in grado di migliorare la resilienza e l’affidabilità delle infrastrutture energetiche basate sull’idrogeno.
Il POR supporta le interazioni interdisciplinari e multidisciplinari per contribuire all’incremento di massa critica qualificata, con l’obiettivo di massimizzare le ricadute della ricerca favorendone il trasferimento tecnologico alle filiere industriali e manifatturiere, a supporto della transizione energetica del nostro Paese.
D: In quale contesto strategico si inscrive il programma di ricerca?
R: La strategia europea prevede 6 GW di elettrolizzatori nel 2024, 40 GW nel 2030 (oltre a 40 GW da installare in paesi extraeuropei utilizzando le tecnologie dell’UE), 500 GW nel 2050, e la produzione di idrogeno verde superiore a 10 milioni di tonnellate annue. Il REPowerEU ha innalzato l’asticella indicando per il 2030 un obiettivo di 20 milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile, di cui 10 di produzione interna e 10 di importazioni, principalmente dal Nord Africa e dal Mare del Nord. A livello nazionale è stato fissato il target di 5 GW di elettrolizzatori da installare al 2030, con una penetrazione dell’idrogeno nel consumo energetico finale di circa il 2% entro il 2030 e un incremento fino al 20% al 2050, secondo le Linee Guida per la Strategia nazionale sull’idrogeno.
In parallelo al perseguimento degli obiettivi di produzione di idrogeno verde, che rappresenta l’offerta, sarà altresì necessario far leva su tutte le possibili risorse di domanda, siano esse già esistenti o di nuova attivazione.
D: A quali sfide sistemiche risponde il piano e a quali criticità si propone di far fronte?
R: La commercializzazione di massa delle tecnologie basate sull’idrogeno presenta una serie di sfide sistemiche che riguardano le principali barriere alla sua diffusione su larga scala: sfide di natura tecnica (risoluzione delle criticità e delle limitazioni attuali e incremento del TRL), sfide economiche (riduzione del costo per specifiche tecnologie), sfide di tipo normativo-regolatorio (modelli, procedure e standard pre-normativi), e sfide informativo-formative e di accettabilità e consapevolezza sociale.
D: Da quali basi prende le mosse il piano?
R: ENEA, CNR e RSE posseggono consolidate conoscenze, competenze, nonché infrastrutture e laboratori di ricerca di assoluto rilievo nel settore dell’idrogeno. Nell’ambito di Mission Innovation sono coinvolti nella Mission Clean Hydrogen a supporto dei Ministeri competenti e partecipano a numerosi progetti a livello europeo, anche con ruoli di coordinamento. A livello nazionale collaborano allo sviluppo di nuove tecnologie nel contesto dell’Accordo di Programma ENEA-MiTE relativo a Mission Innovation e della Ricerca di Sistema Elettrico. Le attività del presente POR riguardano obiettivi di medio e lungo termine (Technological Readiness Level, TRL 2-5).
D: Il progetto svilupperà attività di ricerca e innovazione lungo l’intera catena del valore dell’idrogeno: quali sono le aree applicative più promettenti relative alla produzione, allo stoccaggio, alla distribuzione e agli usi finali di questo vettore energetico?
R: L’idrogeno è un candidato di primo piano per garantire la sostenibilità energetica e promuovere lo sviluppo ecosostenibile, agendo come vettore energetico in diversi settori applicativi: industriale, energetico, civile, residenziale, mobilità e trasporto. Tra questi alcuni sono più pronti a partire.
Sul fronte della mobilità, si identificano come settori a maggior potenziale le filiere del trasporto pesante su gomma (truck e autobus), material handling, trasporto ferroviario e marittimo. Nel breve periodo, il ricorso a flotte di mezzi a idrogeno per il trasporto pubblico, la raccolta dei rifiuti o la movimentazione merci potrebbe accelerare la penetrazione dell’idrogeno e spingere le stazioni di rifornimento centralizzate. Le applicazioni del trasporto aereo sono da sviluppare in una scala di medio-lungo termine. Nell’industria, l’utilizzo, almeno parziale, di idrogeno verde e/o blu in sostituzione potrebbe sostituire quello grigio nei settori maggiormente energivori (hard to abate) o ad alta emissione di CO2, come le raffinerie ed alcune industrie chimiche, le acciaierie ed altri comparti che impiegano calore di processo ad alta temperatura (vetro, ceramica, carta, cemento, industria alimentare), attualmente prodotto con il metano
D: Anche altri ambiti si muovono a passi spediti…
R: Sul fronte della decarbonizzazione dei carburanti, la combinazione di idrogeno ottenuto dal surplus di rinnovabili con la CO2 da effluenti industriali o da impianti a biogas/biometano permette la produzione di combustibili a bassa impronta di carbonio, favorendo al tempo stesso la crescita di un settore industriale e manifatturiero già esistente e di valore nazionale.
Anche il settore termico residenziale può favorire la domanda diffusa di idrogeno, contribuendo al processo di decarbonizzazione del patrimonio edilizio nonché alla crescita dell’industria manifatturiera nazionale che conta numerosi produttori in ambito termotecnico (caldaie, valvolame, controlli, componenti, etc..). Inoltre, i sistemi di riscaldamento per il settore termico residenziale sono già in parte pronti per l’utilizzo di miscele idrogeno/gas naturale. La possibilità di trasporto del vettore idrogeno nelle reti gas, combinato a soluzioni di accumulo di piccola-media scala per contesti distribuiti, e di grande scala per accumuli stazionari e stagionali, potrà consentirne un utilizzo distribuito. L’utilizzo dell’asset esistente delle reti gas, diffuso e capillare nel contesto nazionale, potrebbe essere di ausilio.
D: La ricerca si concentra sulla produzione di idrogeno da fonti rinnovabili e da energia elettrica di rete. Come funziona questo processo?
R: Le strategie e le roadmap europee spingono per la produzione di idrogeno verde, ovvero ottenuto da fonti rinnovabili senza emissioni in atmosfera di gas climalteranti. Il processo maggiormente consolidato e tecnologicamente maturo per produrre idrogeno rinnovabile è l’elettrolisi dell’acqua (ossia la scissione in idrogeno e ossigeno) alimentata da energia rinnovabile, ad esempio fotovoltaico e/o eolico. Gli elettrolizzatori possono essere direttamente collegati all’impianto fotovoltaico/eolico o utilizzare energia elettrica di rete che sia “certificata di origine”, ossia comunque prodotta da fonte rinnovabile.
D: Quali sono le potenzialità e quali le criticità più evidenti?
R: L’ipotesi comunemente proposta di alimentare gli elettrolizzatori con la produzione di campi fotovoltaici o parchi eolici dedicati presenta, tuttavia, alcune criticità: un basso capacity factor di tali impianti; gli elettrolizzatori sono componenti capital intensive, che dovrebbero lavorare un elevato numero di ore annue; l’esigenza di abbinare agli elettrolizzatori sistemi di accumulo di idrogeno; la necessità di investimenti in rinnovabili dedicate per la produzione di volumi di idrogeno di grande scala. Inoltre, occorre potenziare ricerca e innovazione per ridurre i costi di investimento oggi ancora elevati (CAPEX) e di gestione, principalmente il costo dell’energia (OPEX), aumentare l’efficienza e la vita utile dell’elettrolizzatore e migliorare le sue prestazioni in regime dinamico e la resistenza a frequenti cicli avvio-arresto (dovuti alla discontinuità e non programmabilità della fonte rinnovabile).
L’idrogeno rinnovabile può fornire il suo contributo principalmente nei seguenti settori: stoccaggio di lungo termine (stagionale) di energia elettrica, nei momenti di sovrapproduzione; vettore con elevata densità energetica per la sostituzione di fonti fossili, come carbone e gas, usate dalle industrie energivore; vettore energetico per la mobilità, specie quella più pesante.
D: Il programma assegna 30 milioni di euro alla ricerca sulle celle a combustibile destinate ad applicazioni per la mobilità: quali opportunità e quali criticità?
R: Nel settore della mobilità le celle a combustibile rappresentano la tecnologia di riferimento, in grado di fornire energia elettrica in modo pulito ed efficiente. Le celle a combustibile, nello specifico quelle operanti a bassa temperatura, trovano impiego soprattutto nei cosiddetti “Heavy Duty Vehicles”, nelle navi, nell’aviazione, nei treni. La tecnologia delle celle a combustibile ha raggiunto un adeguato livello di competitività commerciale. Uno dei maggiori ostacoli alla sua piena diffusione è rappresentato dalle attuali prestazioni (durata e stabilità) e dalle caratteristiche dei catalizzatori e delle membrane che influenzano la potenza e l’efficienza delle celle a combustibile. Il Platino e le sue leghe sono i catalizzatori più utilizzati, ma presentano costi elevati e disponibilità limitata. Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli sforzi di ricerca per sviluppare catalizzatori alternativi, basati su materiali non critici. Un’altra sfida è la riduzione dei costi, attraverso l’aumento dei volumi produttivi, l’ottimizzazione e l’automatizzazione dei processi, nonché la diminuzione dei costi dei componenti. Occorre sviluppare tecnologie e processi per ridurre l’uso e le quantità di materiali critici e costosi e realizzare nuovi componenti più efficienti ed economici (ad esempio per incrementare la densità di potenza e la durabilità e/o migliorare la configurazione degli stack di celle). Una produzione di massa delle celle a combustibile destinate al trasporto pesante e su lunga distanza renderebbe, inoltre, attraente l’utilizzo di questa tecnologia per il riscaldamento degli edifici, sia con soluzioni cogenerative, sia accoppiate a pompe di calore elettriche.
Questo articolo è stato pubblicato sul numero di dicembre 2022 di Energia&Mercato
