L’idrogeno nello scenario energetico verso la decarbonizzazione

Un nuovo appuntamento formativo rivolto al personale ARPAT sul tema della transizione energetica e le fonti di energia alternative si è concentrato sull’idrogeno, sulla sua implementazione nello scenario energetico, sulle sue caratteristiche, dalla generazione alle possibili applicazioni, nonché sui vantaggi e potenzialità nell'integrazione con le energie rinnovabili. A tenere la lezione il professor Carlo Carcasci del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Firenze.

 

Secondo il rapporto di RSE Idrogeno. Un vettore energetico per la decarbonizzazione, tra le principali opzioni per la completa decarbonizzazione del sistema energetico verso il 2050, ci sarà anche l’idrogeno. La Commissione europea prevede che l’uso dell’idrogeno crescerà al 13-14% entro il 2050; a livello mondiale, l’Agenzia internazionale dell’energia prevede entro il 2030 circa 2,5 milioni di auto a idrogeno. In Italia, l’obiettivo del Piano Energetico Nazionale al 2030 è quello di produrre 0.7 milioni di tonnellate di idrogeno.

 

Lo sviluppo di questo settore è sicuramente favorito da alcune caratteristiche intrinseche dell’idrogeno che possono essere così riassunte:

 

• è l’elemento più abbondante in natura (oltre il 90% della materia dell’universo è fatta di idrogeno) e ne è molto ricca la terra, si pensi al solo fatto che ogni molecola di acqua contiene due atomi di idrogeno,

• è un gas altamente infiammabile che non emette CO2 e i cui prodotti della combustione sono acqua e calore,

• ha un’elevata densità energetica (120 MJ/kg, a fronte di 55.6 MJ/kg del metano, 47.3 MJ/kg della benzina e 44.8 MJ/kg del diesel),

• è facilmente stoccabile in grandi quantità e per lunghi periodi.

 

L’idrogeno ha enormi potenzialità applicative: dal tradizionale uso come reagente nelle industrie pesanti (fonderie, industrie siderurgiche, chimiche, petrolchimiche, dei fertilizzanti, aziende orafe), al suo utilizzo per generare calore industriale nei settori Hard-to-Abate (ad esempio industrie tessili o cartiere), per generare e accumulare elettricità e per alimentare i trasporti pesanti. Lo stesso rapporto di RSE già citato prevede che entro il 2050 l’idrogeno sarà sempre più introdotto per usi diversi da quello tradizionale (vedi immagine a seguire tratta dal Rapporto Idrogeno. Un vettore energetico per la decarbonizzazione).

 

Se l’idrogeno è molto abbandonante in natura è pur vero che non è disponibile in forma libera; per essere usato, cioè, deve prima essere prodotto. Non si tratta infatti di una fonte energetica, ma di un vettore energetico che prima di essere usato deve essere generato, per poi essere trasportato e quindi usato in momenti e luoghi diversi da dove è stato prodotto.

 

Come si produce l’idrogeno?

 

Secondo i dati dell'Agenzia internazionale dell'energia, ogni anno si producono 70 milioni di tonnellate di idrogeno: il 76% da gas naturale, 22 % da carbone, 2% da elettrolisi dell'acqua [IEA, 2019]. Non tutto l’idrogeno è quindi uguale, a seconda di come è prodotto assume convenzionalmente un colore diverso.

 

Si parla così di idrogeno grigio se è prodotto dalla combustione di fonti fossili ed emette quindi biossido di carbonio, di idrogeno blu se è prodotto da fonti fossili ma con sistemi di cattura del carbonio, in grado quindi di ridurre le emissioni di gas serra degli impianti inquinanti o rimuoverle direttamente dall’atmosfera; si parla poi di idrogeno verde se è prodotto da energia rinnovabile (ad esempio solare ed eolica) e di idrogeno viola se prodotto da energia nucleare. Non si può quindi parlare genericamente di idrogeno ma bisogna studiarne e tracciarne la filiera di produzione.

 

Nella Strategia europea sull’idrogeno, la priorità per il raggiungimento degli obiettivi di carbon-neutrality al 2050 è quella di sviluppare idrogeno verde sul lungo periodo, favorendo un sistema energetico integrato, e idrogeno blu nella fase di transizione a breve e medio termine, in grado di ridurre rapidamente le emissioni derivanti dalla produzione di idrogeno e perseguire lo sviluppo di un mercato sostenibile su scala significativa. È chiaro che in questo processo un ruolo importante lo gioca l’integrazione dell’idrogeno con le fonti rinnovabili.

 

Per rendere l’idrogeno una soluzione realmente green come primo passo si potrebbe intervenire nei processi chimici che usano l’idrogeno come materia prima, introducendo l’idrogeno verde prodotto da fonti rinnovabili al posto di quello proveniente da fonti fossili e riducendo così le emissioni di CO2. Oggi però il costo di produzione dell’idrogeno verde è ancora assai più elevato e si prevede che fino al 2030 il costo dell'idrogeno grigio da fonti fossili continuerà ad essere il più basso. Questo aspetto economico è senza dubbio un ostacolo alla diffusione di questo vettore energetico che deve però fare i conti anche con altre problematiche: i settori Hard-to-Abate, ad esempio, caratterizzati da combustione ad altissima temperatura ed alta intensità energetica, hanno bisogno di tantissima energia che solo un flusso di gas naturale riesce al momento a garantire. Il settore dei trasporti pesanti a lunga distanza (aerei, navali e su gomma) ha invece il problema dell’immagazzinamento dell’energia ad alta concentrazione, problema, quello dello stoccaggio, che deve essere affrontato anche per altri usi: dobbiamo infatti poter immagazzinare l'energia per poi usarla quando serve.

 

Da questo punto di vista le energie rinnovabili, soprattutto l’eolico e il solare, non essendo preventivabili e programmabili, non sono immagazzinabili: i pannelli solari ad esempio funzionano solo con la luce del giorno e durante il periodo estivo; le pale eoliche solo in presenza di vento. In assenza quindi di certe condizioni climatiche, i sistemi si fermano e non producono energia.

 

Il vero problema per perseguire l’obiettivo di sviluppo dell’idrogeno verde è quindi l’accumulo di energia, in particolare l’accumulo stagionale. Se infatti per lo stoccaggio a breve termine un’ottima soluzione sono le batterie di ultima generazione, lo stesso discorso non vale per lo stoccaggio stagionale ed è qui che invece l’idrogeno può diventare importante. I vantaggi infatti dell’idrogeno rispetto alle batterie sono:

 

• grande intensità energetica,

• possibilità di essere trasportato, anche attraverso l'infrastruttura esistente per il trasporto e lo stoccaggio del gas naturale,

• il fatto che la molecola è già usata a livello industriale,

• possibilità di fare lo stoccaggio stagionale.

 

Per risolvere il problema dello stoccaggio stagionale la soluzione più pulita e che garantisce maggiore efficienza è rappresentata dalla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, dall’utilizzo di tale elettricità che risulta in eccesso in un elettrolizzatore che produce ossigeno da una parte ed idrogeno dall’altra; l’idrogeno può essere quindi immediatamente distribuito tramite reti di gas naturale oppure stoccato in serbatoi e poi riconvertito in elettricità, ma anche in energia termica, quando serve. Si tratta di un ciclo chiuso, che si auto alimenta e può essere applicato a livello industriale e persino a livello di smart city.

 

Accanto al problema dell’accumulo, anche il trasporto costituisce una delle criticità nella transizione all’idrogeno soprattutto perché deve esserne garantita la sua sostenibilità. Oggi, l’idrogeno è trasportato sotto forma di gas compresso in bombole, sotto forma liquefatta in serbatoi criogenici e mediante idrogenodotti. Il trasporto in condotte dedicate o in miscela con il gas naturale sembra essere, almeno sulla carta, l’opzione più ragionevole.

 

Per lo sviluppo del vettore idrogeno in campo energetico ci sono anche altre problematiche che è bene tenere in considerazione e che necessitano di continui studi e ricerche, come i problemi di sicurezza dovuti ad esempio all’alta infiammabilità o alla trasparenza di fiamma che impedisce di coglierne la presenza. Un cenno vale anche la difficoltà che ancora permane nell’iter autorizzativo nonché la mancanza di precise direttive e normative.

 

Durante la lezione non sono mancati riferimenti a esperienze e sperimentazioni in Italia e all’estero, ma anche su territorio toscano, come il caso della turbina interamente ad idrogeno prodotta da Nuovo Pignone o la Fabbrica del sole di Arezzo, il primo idrogenodotto in area urbana al mondo.