L’idrogeno, soprattutto l’idrogeno verde, è al centro dell’attenzione per la transizione energetica e la lotta al cambiamento climatico.
Secondo il Report How to Meet the Coming Demand for Hydrogen di Boston Consulting Group, per raggiungere gli obiettivi climatici fissati dall’accordo di Parigi, azzerando le emissioni entro il 2050, l’idrogeno e i suoi derivati dovrebbero soddisfare tra il 10% e il 12% del consumo di energia globale.
Complessivamente, dovranno essere prodotti 380 milioni di tonnellate di idrogeno a basse emissioni ogni anno (o dei suoi derivati) per mantenere il riscaldamento globale entro i 2° C, mentre ne servirebbero 565 milioni di tonnellate per l’imitare l’incremento della temperatura a 1,5°C.
Non sarà facile raggiungere questi risultati: in questo articolo vediamo che cosa è l’idrogeno per l’energia, come si produce l’idrogeno verde e qual è lo stato delle tecnologie.
Come si produce l'idrogeno H2: è un vettore energetico, non una fonte
L’idrogeno è l’elemento chimico più diffuso nell’Universo e sulla Terra, ma quando se ne parla nel contesto energetico si intende in realtà la molecola di idrogeno H2, assai rara in atmosfera e in grado di accumulare energia e rilasciarla (energia termica mediante combustione o elettrica mediante elettrolisi) in maniera pulita senza emissione di anidride carbonica.
Tuttavia, essendo rara, tale molecola va prodotta e questo consuma a sua volta energia: il bilancio tra le emissioni di CO2 durante la produzione e i costi complessivi di generazione, trasporto e stoccaggio è alla base dell’intero ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica.
L’idrogeno (H2), lo ricordiamo, è un vettore energetico, è cioè in grado di accumulare energia e di rilasciarla al momento necessario. Non è una fonte energetica in sé.
Il che significa che possiamo accumulare nell’idrogeno l’energia prodotta da altre fonti, per utilizzarla in un secondo momento. Per evitare emissioni, queste fonti dovrebbero essere rinnovabili.
Oggi, invece, la quasi totalità dell’idrogeno prodotto (marrone o grigio) ha un forte e negativo impatto sull’ambiente ma costa poco: soltanto lo 0,7% è idrogeno blu o, meglio ancora, verde, derivati da processi assai più costosi ma poco o per nulla inquinanti.
Quanto idrogeno verde dovremo produrre
Sostituire entro il 2030 l’apporto del gas russo, per l’Unione Europea, richiede di aumentare del 30% la capacità di produzione rispetto ai già ambiziosi obiettivi fissati prima della guerra in Ucraina.
L’Unione Europea dovrebbe produttre tra i 100 e 125 GW di energia solare e tra gli 80 e i 100 GW di energia eolica.
Ma, attenzione, si potrebbe produrre idrogeno verde anche usando energia nucleare o biomasse, se queste vengono classificate come “fonti green”. L’energia nucleare è stata infatti inserita nella Tassonomia Europea per la transizione energetica.
La Strategia Europea per l’idrogeno, rilasciata dalla Comunità Europea nel luglio 2020, aveva fissato i cardini della decarbonizzazione dell’economia e del raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica al 2050: entro il 2030 si prevede di investire tra i 320 e i 458 miliardi di euro, di cui 220-340 miliardi per aumentare la produzione di energia fotovoltaica ed eolica necessaria all’idrogeno verde, e di installare 40 GW di capacità di elettrolizzatori (attualmente siamo a meno di 1) più altri 40 GW nel vicino Medio-Oriente, così da raggiungere nel 2050 i 500 GW di capacità installata.
L’utilizzo dell’idrogeno nei consumi finali dovrebbe passare dall’attuale 2% fino al 14%, coinvolgendo non solo l’industria chimica e di raffinazione, ma anche quella siderurgica, il trasporto pesante via terra, marittimo e aereo, il riscaldamento urbano e industriale.
Resta ancora una serie di importanti ostacoli, alcuni generati dalla stessa normativa europea: i vincoli posti dalla RED II sulle emissioni di CO2 consentite per l’idrogeno pulito, ad esempio, non permettono l’adozione dell’idrogeno blu, in attesa di adottare il più ecologico idrogeno verde.
Ma il conflitto in Ucraina ha reso tutto ancora più urgente.
In Italia manca una strategia per l'idrogeno
Germania, Francia, Spagna e altri Paesi hanno emanato una propria strategia dopo il rilascio di quella Europea. In Italia al momento sono disponibili solo le Linee guida della strategia italiana per l’idrogeno emesse dal Ministero dello Sviluppo economico a novembre 2020, che fissano l’obiettivo di 5 GW di capacità di elettrolizzatori nel 2030 e indicano investimenti per circa 10 miliardi, di cui 5-7 per la produzione di H2 (ma non per lo sviluppo di impianti di rinnovabili alla base del processo per l’idrogeno verde), 2-3 per la realizzazione di infrastrutture e 1 per la ricerca.
Secondo l’E&S Group del Politecnico di Milano, la capacità prevista di elettrolizzatori e la generazione di rinnovabile aggiuntiva previste dalle Linee guida sarebbero sufficienti per coprire la differenza tra gli attuali consumi di idrogeno e quelli in programma al 2030. Ma assolutamente insufficienti per sostituire il 50% di idrogeno “non green”.
Produrre idrogeno verde dove l’energia solare costa meno
Per essere competitiva coi combustibili fossili, in assenza di disincentivi economici, l’energia solare deve essere prodotta a un costo inferiore ai 30 dollari per megawatt ora.
Questo è possibile solo sul 20% della superficie terrestre. E tre quarti di queste aree si trovano in Sudamerica, in Medioriente e in Africa.
Impianti marittimi
Per limitare il consumo di suolo, si guarda con interesse all’installazione di moduli fotovoltaici galleggianti in mare (che beneficiano anche del potere refrigerante dell’acqua in termini di maggiore efficienza) e alle turbine eoliche galleggianti, che performano meglio di quelle terrestri.
Gli ostacoli
Tra i principali ostacoli, i costi di sviluppo di reti gas ed energetiche efficienti e capillari, che potrebbero assorbire fino al 35% degli investimenti complessivi
La tecnologia dovrà anche risolvere il problema di come trasportare l’idrogeno in modo sicuro ed economico per lunghe distanze.
E, infine, c’è il problema delle materie prime, soprattutto delle terre rare.
Le tipologie di idrogeno
Idrogeno marrone e idrogeno grigio
Vale la pena soffermarsi allora sui diversi colori dell’idrogeno: marrone, grigio, blu e verde. Abbiamo già visto che quasi tutte le molecole di idrogeno (H2) attualmente prodotto hanno un impatto negativo sull’ambiente.
Il 99,3% delle circa 73 Mton H2 complessive, infatti, deriva dal trattamento a vapore del metano (Steam Methane Reforming, SMR) o da gassificazione del carbone (idrogeno grigio o marrone) e immette in atmosfera circa 9-10 tonCO2/tonH2 nel primo caso o peggio 18-20 tonCO2/tonH2 nel secondo.
L’idrogeno grigio o marrone alimenta l’industria chimica e di raffinazione e comporta costi bassi, rispettivamente 1-2 $/kgH2 per lo SMR e 1-1,5 $/kgH2 per la gassificazione.
Il tema centrale sta tutto qui: come produrre idrogeno non solo per questi settori, ma anche per il trasporto pesante, il riscaldamento urbano o la decarbonizzazione di altri processi industriali, ad esempio la siderurgia, a costi competitivi con gli attuali ma senza emissioni di CO2 in atmosfera?.
Idrogeno verde e idrogeno blu
I due processi coinvolti oggi in questa sfida riguardano la produzione di idrogeno blu e quella di idrogeno verde, in base ai colori definiti per distinguerli partendo dalla fonte energetica utilizzata e dalle relative emissioni di CO2 in atmosfera.
Il Report analizza le tecnologie di produzione di idrogeno “marrone”, “grigio”, “blu” e “verde” (e “giallo”, che si ottiene come il verde ma usando energia elettrica dalla rete).
L’idrogeno blu deriva dal trattamento a vapore del metano (SMR) o, più raramente, da gassificazione abbinata a tecniche di cattura della CO2 emessa: esistono vari impianti pilota a livello industriale che, con approcci diversi, hanno dimostrato la possibilità di arrivare a un costo complessivo di produzione di 2-2,5 $/kg H2 ma con una soglia di emissioni di circa 5 ton CO2/ton H2, maggiori delle 3 stabilite dalla RED II a livello europeo per parlare di idrogeno “pulito”.
La produzione di idrogeno verde, mediante elettrolisi dell’acqua ottenuta usando elettricità da fonti rinnovabili, è l’unica tecnologia presente sul mercato in grado di rispettare appieno i limiti di emissioni imposte dalla RED II ed è il pilastro su cui ruota tutta la Strategia europea dell’idrogeno: consiste nell’alimentare mediante elettricità “pulita” una serie di celle elettrolitiche in serie, denominate stack, che consumano acqua e producono idrogeno e ossigeno.
L’elettrolizzatore è costituito dagli stack e dai sistemi di alimentazione elettrica, di pompaggio e trattamento dell’acqua, di trattamento dell’idrogeno e di controllo di tutto l’impianto. Per queste tecnologie il margine di riduzione dei costi è molto ampio, in particolare con la crescita dell’industrializzazione dei processi e le economie di scala, ma molto dipenderà anche dai prezzi che assumeranno i materiali più scarsi o prodotti in limitate aree geografiche.
L'idrogeno giallo
C’è anche l’idrogeno giallo, in realtà: viene prodotto mediante le medesime tecnologie dell’idrogeno verde, ma alimentate con energia elettrica da fonti tradizionali.
I combustibili basati sull’idrogeno a basse emissioni
C'è poi la categoria dei combustibili basati sull'idrogeno, che a sua volta è si articola in diverse tipologie. Vediamone qualcuna.
Idrogeno prodotto dal gas naturale, mediante sistemi di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica emessa nel processo. Questa tecnologia richiede ai governi di accumulare CO2 sottoterra.
I combustibili basati sull’idrogeno, detti P2X o Power to X, con idrogeno estratto con fonte rinnovabile, che pesa tra il 60% e il 90% dei costi di produzione
Nel Power to X troviamo tre categorie:
- ammoniaca verde, ottenuta dalla sintesi di idrogeno e l’azoto. La densità energetica dell’ammoniaca verde è maggiore di quella dell’idrogeno, e questo facilita il trasporto e la vendita. Ma non è granché nel sostituire i combustibili fossili;
- metanovolo verde, si ottiene combinando idrogeno e anidride carbonica sostenibile. Ha elevate capacità di sostituzione dei combustibili fossili ma il suo costo di produzione è legato a quello della CO2 verde;
- idrocarburi verdi, perfettamente intercambiabili con i combustibili tradizionali, sono però più costosi.
I diversi tipi di elettrolizzatori
Gli elettrolizzatori possono essere di tipo diverso: alcuni sono già sul mercato, altri invece sono ancora in fase di sviluppo.
Gli elettrolizzatori alcalini (AEL) sono utilizzati già da molti anni in alcuni comparti industriali come la produzione del cloro-soda e hanno dimostrato una notevole affidabilità, funzionano per 60.000 100.000 ore e utilizzano materie prime non costose, ma non possono operare a bassi carichi e hanno un elevato footprint (impatto sull’ambiente in termini di emissione di anidride carbonica).
Gli elettrolizzatori a membrana polimerica (PEM) hanno un design molto più compatto, possono essere operativi a bassi e alti carichi e hanno una vita utile sufficientemente elevata, attorno alle 50.000-80.000 ore, ma richiedono materiali molto costosi come platino e iridio per i catalizzatori.
L’iridio in particolare, l’elemento chimico meno presente sulla crosta terrestre, si teme possa diventare un collo di bottiglia: il suo costo è salito del 400% rispetto al 2015-2020 proprio per l’importanza che ricopre nella produzione dell’idrogeno.
Gli elettrolizzatori AEL e PEM operano a bassa temperatura, attorno ai 70-80 gradi, e risentono di una efficienza non molto elevata, circa 60 kWh per kg di H2.
L’elettrolizzatore a ossidi solidi (SOEC) opera invece ad alta temperatura, 700 gradi, con una maggiore efficienza di produzione dell’idrogeno, un aspetto interessante per quei settori che hanno vapore ad alta temperatura all’interno dei loro processi, ma risente ancora di un livello di maturità tecnologica relativamente basso.
