Idrogeno verde: sfide e opportunità

L’idrogeno è l’elemento chimico più abbondante sul pianeta; è presente nel 75% della materia. L’umanità lo usa da tempo come materia prima nell’industria chimica o nella metallurgia e come combustibile, ma poiché non può essere preso direttamente dalla natura allo stato puro, ha bisogno di fabbricarlo. Ed è proprio il metodo che viene utilizzato per ottenere l’idrogeno che determina se esso sia un combustibile pulito e sostenibile o meno.

di Sara Gonizzi Barsanti

La tecnica più ampiamente utilizzata per la produzione dell’idrogeno prevede la riforma del gas naturale dai giacimenti petroliferi, in cui il vapore acqueo ad alta temperatura viene utilizzato per separare il carbonio dall’idrogeno che compone il gas naturale. Due reazioni successive producono diidrogeno e anidride carbonica. La gassificazione con vapore acqueo e ossigeno puro viene eseguita utilizzando carbone o biomassa bruciati da un reattore a temperature molto elevate: questo processo prevede la scomposizione della molecola d’acqua (H₂O) in ossigeno (O₂) e idrogeno (H₂) tramite una corrente elettrica continua collegata all’acqua tramite elettrodi. Quando l’elettrolisi viene eseguita con energia rinnovabile e questo è il metodo di produzione più sostenibile. Questi metodi di produzione dell’idrogeno hanno portato a una nomenclatura di colori che vengono utilizzati per riferirsi a quanto sia sostenibile la sua estrazione.

Tipologie di idrogeno secondo la scala colori

Secondo la scala di colori che riflette i differenti metodi di produzione, i principali tipi di idrogeno sono:

Il valore green dell’idrogeno 

Il suo grande valore nella lotta al cambiamento climatico risiede nella sua capacità di sostituire i combustibili fossili in quei settori e usi che fino ad ora erano più difficili da decarbonizzare, oltre al suo potenziale come sistema di accumulo di energia. L’idrogeno verde è importante per ridurre i gas serra poiché è l’elemento chimico più semplice e più abbondante in natura, il primo della tavola periodica con numero atomico.

È leggero, può essere immagazzinato e non genera emissioni inquinanti: con queste caratteristiche, è un candidato perfetto per un combustibile che si sta già presentando come il vettore energetico chiave per raggiungere la decarbonizzazione globale e rispettare gli impegni presi per il 2050 nella lotta contro i cambiamenti climatici. Per raggiungere questo obiettivo, decarbonizzare la produzione di un elemento come l’idrogeno, dando origine all’idrogeno verde, è una delle chiavi di svolta, essendo questo attualmente responsabile di oltre il 2% delle emissioni globali totali di CO₂. Inoltre, l’idrogeno verde è una fonte di energia pulita: emette solo vapore acqueo e non lascia residui nell’aria, a differenza del carbone e del petrolio.

Sostituire tutto l’idrogeno grigio nel mondo però richiederebbe 3.000 TWh/anno da nuove fonti rinnovabili, equivalenti all’attuale domanda dell’Europa. Ci sono quindi alcune domande sulla fattibilità dell’idrogeno verde a causa del suo elevato costo di produzione.

L’utilizzo dell’idrogeno come combustibile green

La maggior parte degli esperti concorda sul fatto che l’idrogeno verde sarà essenziale per raggiungere gli obiettivi dell’accordo di Parigi. Negli Stati Uniti, le tre principali fonti di emissioni che riscaldano il clima provengono dai trasporti, dalla produzione di elettricità e dall’industria. L’efficienza energetica, l’energia rinnovabile e l’elettrificazione diretta possono ridurre le emissioni derivanti dalla produzione di elettricità e da una parte dei trasporti; ma l’ultimo 15 percento circa dell’economia, che comprende aviazione, spedizioni, autotrasporti a lunga percorrenza e produzione di cemento e acciaio, è difficile da decarbonizzare perché questi settori richiedono carburante ad alta densità energetica o calore intenso.

L’idrogeno verde potrebbe soddisfare queste esigenze ed anche essere utilizzato con celle a combustibile per alimentare qualsiasi cosa utilizzi elettricità, come veicoli e dispositivi elettronici. A differenza delle batterie, le celle a combustibile a idrogeno non hanno bisogno di essere ricaricate e non si esauriscono, finché hanno idrogeno come combustibile. Le celle a combustibile funzionano come le batterie e poiché possono funzionare indipendentemente dalla rete, le celle a combustibile possono essere utilizzate in campo militare o in zone disastrate e funzionano come generatori indipendenti di elettricità o calore. Quando sono fissate in posizione, possono essere collegate alla rete per generare energia affidabile e costante. L’idrogeno come combustibile è una realtà in paesi come Stati Uniti, Russia, Cina, Francia e Germania. Altri come il Giappone stanno andando ancora oltre e aspirano a diventare un’economia dell’idrogeno.

L’impatto futuro

L’impatto in futuro dell’utilizzo di idrogeno verde è il seguente:

• Generatore di elettricità e acqua potabile: questi due elementi si ottengono facendo reagire insieme idrogeno e ossigeno in una cella a combustibile. Questo processo si è rivelato molto utile nelle missioni spaziali, ad esempio, fornendo agli equipaggi acqua ed elettricità in modo sostenibile.
• Stoccaggio di energia: i serbatoi di idrogeno compresso sono in grado di immagazzinare energia per lunghi periodi di tempo e sono anche più facili da gestire rispetto alle batterie agli ioni di litio perché sono più leggeri.
• Trasporti e mobilità: la grande versatilità dell’idrogeno consente di utilizzarlo in quelle nicchie di consumo molto difficili da decarbonizzare, come il trasporto pesante, l’aviazione e il trasporto marittimo. Sono già in corso diversi progetti in questo ambito, come Hycarus e Cryoplane, promossi dall’Unione Europea (UE) e mirati a introdurlo negli aerei passeggeri. Iberdrola guida lo sviluppo dell’idrogeno verde con oltre 60 progetti

Gli investimenti mondiali nell’idrogeno verde

Una nuova Western States Hydrogen Alliance, composta da leader nel settore dell’idrogeno pesante e delle celle a combustibile, sta spingendo per sviluppare e distribuire la tecnologia e l’infrastruttura delle celle a combustibile in 13 stati occidentali. Hydrogen Europe Industry, un’associazione leader nella promozione dell’idrogeno, sta sviluppando un processo per produrre idrogeno puro dalla gassificazione della biomassa da residui di colture e foreste. Breakthrough Energy, co-fondata da Bill Gates, sta investendo in una nuova iniziativa di ricerca e sviluppo sull’idrogeno verde chiamata European Green Hydrogen Acceleration Center. Mira a colmare il divario di prezzo tra le attuali tecnologie dei combustibili fossili e l’idrogeno verde. Breakthrough Energy ha anche investito in ZeroAvia, un’azienda che sviluppa l’aviazione alimentata a idrogeno.

L’ONU ha lanciato la Green Hydrogen Catapult Initiative, riunendo sette dei più grandi sviluppatori di progetti di idrogeno verde al mondo con l’obiettivo di ridurre il costo dell’idrogeno verde a meno di 2 $ al chilogrammo e aumentarne la produzione di 50 volte entro il 2027. Su richiesta del governo giapponese sotto la presidenza del G20, l’IEA ha prodotto uno storico rapporto che rileva che l’idrogeno pulito sta attualmente godendo di uno slancio politico e commerciale senza precedenti, con il numero di politiche e progetti in tutto il mondo in rapida espansione. Conclude che ora è il momento di ampliare le tecnologie e ridurre i costi per consentire all’idrogeno di essere ampiamente utilizzato. Le raccomandazioni pragmatiche e attuabili fornite a governi e industria consentiranno di sfruttare appieno questo crescente slancio.

Nonostante gli obiettivi climatici internazionali molto ambiziosi, le emissioni globali di CO₂ legate all’energia hanno raggiunto il massimo storico nel 2018. Anche l’inquinamento atmosferico esterno rimane un problema urgente, con circa 3 milioni di persone che muoiono prematuramente ogni anno.

Potenziale da sfruttare

Le tecnologie disponibili consentono all’idrogeno di produrre, immagazzinare, spostare e utilizzare l’energia in diversi modi. Un’ampia varietà di combustibili è in grado di produrre idrogeno, tra cui fonti rinnovabili, nucleare, gas naturale, carbone e petrolio. Può essere trasportato come gas tramite condotte o in forma liquida tramite navi, proprio come il gas naturale liquefatto (GNL). Può essere trasformato in elettricità e metano per alimentare case e industrie, e in combustibili per auto, camion, navi e aerei.

L’idrogeno può consentire alle fonti rinnovabili di fornire un contributo ancora maggiore. Ha il potenziale per aiutare con la produzione variabile da fonti rinnovabili, come il solare fotovoltaico (FV) e l’eolico, la cui disponibilità non è sempre abbinata alla domanda. L’idrogeno è una delle principali opzioni per immagazzinare energia da fonti rinnovabili e sembra promettente come opzione a basso costo per immagazzinare elettricità per settimane o mesi. I combustibili ad idrogeno e l’idrogeno stesso possono trasportare energia da fonti rinnovabili su lunghe distanze, da regioni con abbondanti risorse solari ed eoliche, come l’Australia o l’America Latina, a città affamate di energia a migliaia di chilometri di distanza.

L’idrogeno è già utilizzato in alcuni settori, ma non ha ancora realizzato il suo potenziale per supportare le transizioni verso l’energia pulita. Sono necessarie azioni ambiziose, mirate e a breve termine per superare le barriere e ridurre i costi. Gli investimenti nell’idrogeno possono aiutare a promuovere un nuovo sviluppo tecnologico e industriale nelle economie di tutto il mondo, creando posti di lavoro qualificati. Oggi, l’idrogeno è utilizzato principalmente nella raffinazione del petrolio e per la produzione di fertilizzanti. Affinché possa dare un contributo significativo alle transizioni verso l’energia pulita, deve anche essere adottato in settori in cui è quasi completamente assente al momento, come i trasporti, gli edifici e la produzione di energia.

Sfide per l’idrogeno

Tuttavia, l’uso pulito e diffuso dell’idrogeno nelle transizioni energetiche globali deve affrontare diverse sfide:

• Produrre idrogeno da energia a basse emissioni di carbonio è costoso al momento. L’analisi dell’IEA rileva che il costo di produzione dell’idrogeno da elettricità rinnovabile potrebbe scendere del 30% entro il 2030 a causa del calo dei costi delle energie rinnovabili e dell’aumento della produzione di idrogeno. Le celle a combustibile, le apparecchiature di rifornimento e gli elettrolizzatori possono tutti trarre vantaggio dalla produzione di massa.
• Lo sviluppo dell’infrastruttura dell’idrogeno è lento e ne frena l’adozione diffusa. I prezzi dell’idrogeno per i consumatori dipendono fortemente dal numero di stazioni di rifornimento presenti, dalla frequenza con cui vengono utilizzate e dalla quantità di idrogeno erogata al giorno.
• Oggi l’idrogeno è quasi interamente fornito da gas naturale e carbone ed è responsabile di emissioni annuali di CO₂ equivalenti a quelle di Indonesia e Regno Unito messe insieme. È quindi necessario sia catturare la CO₂ dalla produzione di idrogeno da combustibili fossili sia aumentare le scorte di idrogeno da elettricità pulita.
• Le normative attualmente limitano lo sviluppo di un’industria dell’idrogeno pulito. Governo e industria devono collaborare per garantire che le normative esistenti non siano un ostacolo inutile agli investimenti. Il commercio trarrà vantaggio da standard internazionali comuni per la sicurezza del trasporto e dello stoccaggio di grandi volumi di idrogeno e per tracciare gli impatti ambientali delle diverse forniture di idrogeno.

Opportunità per l’idrogeno verde

L’IEA ha identificato quattro opportunità a breve termine per promuovere l’idrogeno verso il suo uso pulito e diffuso:

1. Rendere i porti industriali centri nevralgici per aumentare l’uso di idrogeno pulito. Oggi, gran parte della produzione di raffinazione e chimica che utilizza idrogeno basato su combustibili fossili è concentrata nelle zone industriali costiere di tutto il mondo, come il Mare del Nord in Europa, la costa del Golfo in Nord America e la Cina sud-orientale. Queste grandi fonti di fornitura di idrogeno possono anche alimentare navi e camion che servono i porti e alimentare altre strutture industriali vicine come le acciaierie.
2. Costruire su infrastrutture esistenti, come milioni di chilometri di gasdotti. L’introduzione di idrogeno pulito per sostituire solo il 5% del volume delle forniture di gas naturale dei paesi aumenterebbe significativamente la domanda di idrogeno e ridurrebbe i costi.
3. Espandere l’idrogeno nei trasporti attraverso flotte, merci e corridoi. Alimentare auto, camion e autobus ad alto chilometraggio per trasportare passeggeri e merci lungo rotte popolari può rendere i veicoli a celle a combustibile più competitivi.
4. Lanciare le prime rotte di spedizione internazionali del commercio di idrogeno.

7 raccomandazioni per aumentare l’idrogeno

La cooperazione internazionale è cruciale per accelerare la crescita dell’idrogeno pulito. Una strategia coordinata tra governi può stimolare investimenti in infrastrutture, ridurre i costi e favorire la condivisione di conoscenze. Il commercio di idrogeno trarrà beneficio da standard internazionali comuni, seguendo le 7 raccomandazioni dell’IEA:

1. Includere l’idrogeno nelle strategie energetiche a lungo termine, con obiettivi chiari per settori come raffinazione, chimica, trasporto merci e produzione energetica.
2. Stimolare la domanda di idrogeno pulito con politiche per mercati sostenibili, riducendo le emissioni dei combustibili fossili e favorendo investimenti nelle catene di fornitura.
3. Mitigare i rischi per i primi investitori in nuove applicazioni e infrastrutture tramite garanzie e prestiti mirati.
4. Sostenere la R&S per ridurre i costi e migliorare le prestazioni, attirando capitali privati.
5. Rimuovere le barriere normative e armonizzare gli standard, facilitando la diffusione di progetti e garantendo sicurezza e certificazione delle emissioni.
6. Rafforzare la cooperazione internazionale su standard, buone pratiche e infrastrutture transfrontaliere.
7. Sfruttare opportunità come l’uso di porti industriali, infrastrutture del gas esistenti, flotte di trasporto e rotte di spedizione per aumentare il commercio di idrogeno pulito.

Conclusioni

Tre importanti applicazioni in cui l’idrogeno verde può ridurre le emissioni nocive sono la produzione di petrolio, la raffinazione petrolchimica e la produzione di ammoniaca, tutti processi ad alta intensità di carbonio. Il settore della raffinazione svolge un ruolo chiave nella produzione di prodotti contenenti plastica. Sebbene sia importante ridurne l’utilizzo per motivi climatici ed ecologici, essa continuerà a svolgere un ruolo nella vita moderna per decenni. Il settore produce anche petrolio liquido. Mentre la produzione di petrolio sta iniziando a essere deprecata, attualmente costituisce il 4% di tutte le emissioni globali. Ma una completa eliminazione graduale non avverrà dall’oggi al domani e l’idrogeno verde può svolgere un ruolo nel renderlo meno intensivo in termini di gas serra durante l’era della riduzione graduale.

La società di consulenza Wood Mackenzie ha concluso che l’aumento dell’idrogeno verde come materia prima di raffineria potrebbe ridurre le emissioni di carbonio della raffineria del 25% entro il 2050. I ricercatori dell’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hanno inoltre affermato che entro il 2030 il mercato dell’idrogeno verde nel settore petrolifero e del gas potrebbe valere 18,2 miliardi di dollari e 17,5 miliardi di dollari nel settore petrolchimico. Inoltre, le raffinerie che utilizzano idrogeno verde negli Stati Uniti hanno diritto a crediti di incentivazione fiscale per l’idrogeno verde da 45 V creati tramite l’Inflation Reduction Act.