L’interesse verso le potenzialità dell’idrogeno è ormai evidente: a livello nazionale ed europeo c’è una chiara volontà politica, istituzionale, industriale di accelerare il passaggio ad economie più sostenibili e l’utilizzo dell’idrogeno sembra particolarmente favorito dal momento storico.

Articolo a cura di Marco Buldrini, Unità Progetti Speciali, NIER Ingegneria

Il tema dell’idrogeno nel contesto della transizione ecologica investe un’ampia filiera, dalla produzione al trasporto, agli utilizzi finali.

Per quanto riguarda la produzione è necessario fare una serie di considerazioni sia dal punto di vista delle tecnologie produttive e delle problematiche connesse, in particolare riguardo alle emissioni di CO₂, sia per quanto riguarda i modelli di business e la sostenibilità economica.

Le opportunità di sviluppo in questo campo devono poi tener conto della Strategia Europea per l’idrogeno e delle conseguenti declinazioni a livello nazionale nei principali Paesi Membri, Italia in particolare, oltre che dello “status quo” dei progetti in essere sull’idrogeno.

Gli investimenti previsti nel PNRR sono pari a: 23,78 MD€ per “Energie rinnovabili, idrogeno, rete e mobilità sostenibile”, di cui 3,64 destinati esclusivamente all’idrogeno.

L’IDROGENO È UN VETTORE ENERGETICO (NON UNA FONTE ENERGETICA)

Appena ci si approccia al tema dell’idrogeno si viene subito a conoscenza del fatto che si tratta dell’elemento più diffuso dell’universo ma, e qui sta il problema, solo in quantità irrisorie è disponibile come sostanza pura mentre nella stragrande maggioranza dei casi è uno dei componenti di molecole più complesse (ad esempio acqua (H₂O), metano (CH₄) e ammoniaca (NH₄)).

Per questo motivo, l’idrogeno è un vettore, non una fonte di energia.
Questo vuol dire che è necessario spendere energia per produrlo per poi utilizzarlo a sua volta per produrre energia.

Il motivo principale per cui interessa utilizzare l’idrogeno come vettore energetico è molto semplice: l’ossidazione dell’idrogeno genera energia sviluppando, come prodotto, solamente acqua (quindi niente CO₂, niente gas inquinanti, …).

Esistono una serie di problemi che ad oggi limitano notevolmente l’impiego dell’idrogeno e che, in mancanza di risposte adeguate, non ne consentiranno un utilizzo diffuso all’interno di una economia pienamente sostenibile.

In particolare, al momento:
• la produzione di idrogeno più conveniente è quella da idrocarburi e combustibili fossili e prevede l’emissione di CO₂
• la densità energetica è bassa e quindi per ottenere elevati quantitativi energetici è necessario disporre di elevati volumi di Idrogeno.

COME PRODURRE IDROGENO

Nel corso degli anni si sono sviluppati diversi processi per ottenere l’idrogeno (molecolare) che utilizzano tecnologie e fonti energetiche differenti.

In base al tipo di processo produttivo ed alla fonte energetica utilizzata, sono state individuate varie tipologie di Idrogeno molecolare indicate con un colore.

La tabella seguente sintetizza il quadro attuale.

L’idrogeno “marrone” o “grigio” è ricavato dal carbone o dal gas naturale. Ha costi di produzione bassi (1-2 USD/kg H₂), ma una forte carica inquinante e, quindi, è quello più lontano dalla sostenibilità ambientale. A oggi, rappresenta la stragrande maggioranza dell’idrogeno prodotto.
L’idrogeno “blu” ha un processo produttivo simile, ma prevede la “cattura” e lo stoccaggio della CO₂ prodotta. In questo modo si ottiene un’impronta ambientale più contenuta (comunque significativa) ma un costo lievemente più alto.
L’idrogeno “verde” è quello più sostenibile e prevede un processo estrattivo completamente diverso, basato sull’elettrolisi dell’acqua. È una soluzione che richiede grande apporto di energia per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno. Tuttavia se arriva da fonti rinnovabili, l’impronta carbonica è vicina allo zero.
Lo sviluppo dell’idrogeno verde, che rappresenta al momento una nicchia, è ostacolato per due ragioni:
1) la necessità di reperire ingenti quantità di energia proveniente da fonti rinnovabili. La transizione è in corso, ma eolico e fotovoltaico non sono ancora in grado di assicurare la mole di elettricità necessaria.
2) I costi di produzione dell’idrogeno verde sono praticamente doppi rispetto all’idrogeno blu (3-4.7 USD/kgH₂).

Ecco, quindi, che il problema principale per l’impiego dell’idrogeno in un’economia sostenibile è questo: come produrre idrogeno per gli attuali usi e per gli usi futuri come il trasporto pesante, il riscaldamento urbano o la decarbonizzazione di alcuni processi industriali come la siderurgia, a costi competitivi come gli attuali, ma senza emissioni di CO2 in atmosfera?
Riguardo alle soluzioni tecnologiche disponibili (o in via di sviluppo) per l’idrolisi (processo per la produzione di idrogeno verde), ne possiamo indicare quattro:

La gara tra le diverse tecnologie per gli elettrolizzatori è molto aperta perché i margini di riduzione dei costi è molto ampio.

Come tuttavia si è toccato con mano in questi ultimi tempi, l’impatto del costo delle materie prime sulla crescita dei costi di produzione, giocherà un ruolo importante, in particolare per quelle tecnologie che dipendono da materiali scarsi o prodotti in limitate aree geografiche.

DOVE IMPIEGARLO (E QUINDI ANCHE COME DISTRIBUIRLO E STOCCARLO) – ESEMPI

Per quanto riguarda gli impieghi, si possono individuare quattro filoni principali che comprendono sia gli utilizzi già in essere, e ad oggi soddisfatti con l’impiego pressoché totale di idrogeno grigio, sia gli utilizzi previsti dalla Strategia Nazionale sull’Idrogeno:

• Industria
• Edilizia civile
• Trasporto
• Energia

Attualmente gli impieghi principali sono quelli industriali (raffinerie, produzione ammoniaca, produzione metanolo, …), mentre gli altri ambiti sono ancora poco sviluppati e per molti aspetti non è chiaro per quali impieghi ci saranno effettivamente evoluzioni significative.

Alcuni indirizzi, comunque, sembrano più promettenti; ad esempio, quelli legati a nuovi processi industriali ed all’acciaio low carbon.

La riduzione del minerale del ferro in acciaio è un processo altamente carbon-intensive e utilizzare l’H₂ per produrre acciaio abbasserebbe certamente l’intensità del carbonio.
Ci sono già alcuni esempi in giro per il mondo: in Germania l’acciaieria di Salzgitter utilizza un elettrolizzatore da 2.2 MW per produrre idrogeno con PEM alimentate da sette turbine eoliche da 30 MW.

Un altro processo industriale in cui l’idrogeno verde potrebbe portare benefici importanti sulle emissioni è quello della produzione di bicarbonato: il processo di sintesi del carbonato di sodio, utilizzato oggi, causa notevoli emissioni di CO_2, rendere sostenibile con H₂ da elettrolisi il processo di produzione del bicarbonato è opportunità reale.

Passando ai trasporti, a parte l’impiego per le auto dove già ci sono molti esempi applicativi ma dove la concorrenza di altre tecnologie verdi, rende difficile fare previsioni, ci sono altri utilizzi che sembrano promettenti. Un esempio è certamente quello della navigazione su lungo raggio: è probabile che in futuro il trasporto merci a breve e media distanza via mare avvenga in prevalenza con navi elettriche a batteria.
Le batterie al litio però, oggi non garantiscono lunghe autonomie ed è qui che potrebbe entrare in gioco l’H₂: utilizzando le Fuel Cell, le batterie lascerebbero posto al carburante (l’idrogeno) immagazzinato nelle stive delle navi cargo ed utilizzato durante il viaggio.

Un’altra applicazione nel campo dei trasporti sulla quale sono in via di sviluppo i primi casi applicativi è quella del trasporto ferroviario: l’idrogeno sembra essere una soluzione efficace per sostituire – nelle linee non elettrificate – le attuali locomotive diesel.

In generale, comunque, la possibilità di sviluppo di nuove applicazioni dipenderà dalla capacità di rendere disponibile l’idrogeno ai potenziali utilizzatori; quindi, un primo aspetto critico sarà la capacità di sviluppare rapidamente le infrastrutture di stoccaggio e distribuzione necessarie.
Le attività in corso riguardano, ad esempio, l’adeguamento delle linee di trasporto del metano e la diffusione di stazioni di servizio a 700 bar (che in Italia sono possibili solo dal 2020).

COSA SI STA FACENDO E COSA BISOGNA FARE

Il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza dedica una delle missioni a “Rivoluzione verde e Transizione Ecologica” che include il sostegno a “Energia rinnovabile, idrogeno e mobilità sostenibile”; in particolare sono previsti 3,64 miliardi di euro da investire nello sviluppo dell’idrogeno.
L’obiettivo, in linea con quello europeo, è quello di fare in modo che l’idrogeno risponda al 2% della domanda energetica entro il 2030, raggiunga il 13-14% entro il 2050 ed il traguardo del 20% negli anni successivi.

Mettere in moto il processo di transizione verso un’economia in cui l’idrogeno ha un ruolo rilevante, significa intraprendere un cammino che dovrà riguardare inizialmente:
• lo sviluppo e il miglioramento tecnologico (es. su elettrolisi, fuel cell, cattura e stoccaggio CO₂, …)
• l’adeguamento delle norme, sia standard tecnici sia Leggi e Direttive a livello nazionale e comunitario (ad esempio la direttiva RED II sembra porre alcuni vincoli che riducono la possibilità d’impiego dell’idrogeno blu, mentre la normativa italiana su prevenzione incendi e compatibilità territoriale non dà certezze sugli iter autorizzativi per nuove installazioni)
• l’incremento della capacità di produzione di energia da fonti rinnovabili
• la realizzazione di nuove infrastrutture e l’adeguamento di altre già esistenti per garantire la disponibilità dell’idrogeno
La volontà politica, le risorse e le idee per uno sviluppo significativo dell’idrogeno non mancano, ora sta a noi cogliere la sfida e le opportunità che questo nuovo contesto ci pone di fronte.

• Siamo felici di potervi supportare in questo percorso di rivoluzione verde e transizione ecologica: scrivici a BD@nier.it