Idrogeno in primo piano

Ma ha anche degli svantaggi: la produzione non è semplice, il trasporto può essere difficile e inefficiente e, per questo motivo, i benefici effettivi della sostenibilità non sono sempre chiari.

Qui esaminiamo alcune delle tecnologie a idrogeno più promettenti, i primi utilizzatori, le applicazioni in crescita, i metodi di trasporto e stoccaggio e il panorama normativo, oltre agli investimenti governativi nell'idrogeno.

Tecnologie di produzione dell'idrogeno

L'idrogeno è uno degli elementi più abbondanti sulla terra. Ma spesso è incorporato in composti, come l'acqua, che richiedono processi per accedervi. Alcuni dei processi chiave sono:

Elettrolisi

L'elettrolisi è il processo di scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità. Questo metodo, soprattutto se alimentato da fonti di energia rinnovabili come l'energia eolica o solare, produce il cosiddetto idrogeno verde. Aziende come Siemens e ITM Power stanno facendo progredire la tecnologia dell'elettrolisi, migliorando l'efficienza e riducendo i costi.

L'idea sembra buona, ma ci sono problemi sostanziali nel fare questo su scala.

I problemi principali della produzione di idrogeno verde includono:

1. Efficienza energetica: Gli attuali elettrolizzatori hanno un'efficienza di 60-70%, con una significativa perdita di energia. È fondamentale migliorare la tecnologia dei catalizzatori e delle membrane. Anche la dipendenza dalle energie rinnovabili, che sono intermittenti, pone delle sfide.
2. Costi: gli elevati costi iniziali di capitale e i costi operativi correnti ne ostacolano l'adozione su larga scala. Per ridurre questi costi sono necessari progressi tecnologici ed economie di scala.
3. Materiali e risorse: Gli elettrolizzatori utilizzano materiali scarsi come il platino e l'iridio. Sono in corso ricerche su catalizzatori alternativi. Inoltre, la domanda di acqua, sebbene modesta, richiede una gestione sostenibile.
4. Infrastruttura: L'integrazione degli elettrolizzatori nella rete elettrica e lo sviluppo di infrastrutture di distribuzione e stoccaggio rappresentano ostacoli significativi. Il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno richiedono investimenti sostanziali in condutture, serbatoi e altre tecnologie.
5. Preoccupazioni ambientali: L'intero ciclo di vita della produzione di idrogeno deve essere sostenibile dal punto di vista ambientale. L'aumento della domanda di energia rinnovabile per la produzione di idrogeno non deve portare alla rinascita dei combustibili fossili.
6. Progressi tecnologici: Gli elettrolizzatori alcalini, PEM e SOEC presentano ciascuno sfide uniche. È essenziale migliorare l'efficienza, i costi e la durata. L'integrazione degli elettrolizzatori con fonti di energia rinnovabili variabili richiede sistemi ibridi e tecnologie avanzate.
7. Quadro economico e politico: Lo sviluppo di un mercato stabile dell'idrogeno e di politiche governative di sostegno è fondamentale. Sovvenzioni, crediti d'imposta e cooperazione internazionale possono favorire la ricerca, lo sviluppo e la diffusione.

Affrontare queste sfide è fondamentale per far sì che l'elettrolisi dell'idrogeno diventi una soluzione di idrogeno verde praticabile e su larga scala, sostenendo la transizione verso un futuro energetico a basse emissioni di carbonio.

Steam Methane Reforming (SMR) con cattura e stoccaggio del carbonio (CCS)

Lo Steam Methane Reforming prevede una reazione tra metano (CH₄) e vapore (H₂O) ad alte temperature per produrre idrogeno (H₂), monossido di carbonio (CO) e un po' di anidride carbonica (CO₂).

L'SMR è altamente efficiente, con rendimenti complessivi che in genere vanno da 65% a 75%. È anche una tecnologia matura e ben compresa, che la rende il metodo più comune per la produzione industriale di idrogeno. Le infrastrutture e le competenze per l'SMR sono ampiamente disponibili. Rispetto ad altri metodi di produzione dell'idrogeno, l'SMR è anche relativamente conveniente, soprattutto laddove il gas naturale è abbondante ed economico.

Quindi, mentre l'SMR ha Sebbene siano positivi, le emissioni di anidride carbonica associate e la dipendenza dai combustibili fossili rappresentano sfide significative. 

L'integrazione della CCS potrebbe contribuire a ridurre l'impatto ambientale, rendendo l'SMR una valida soluzione di transizione mentre il mondo si muove verso metodi di produzione dell'idrogeno più sostenibili.

Ma questo metodo di produzione è destinato a servire solo come tecnologia di transizione, sfruttando le infrastrutture di gas naturale esistenti.

Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)

Celle a combustibile a ossido solido (SOFC) convertono l'idrogeno in elettricità attraverso un processo elettrochimico, adatto alla generazione di energia stazionaria. 

Le SOFC sono dispositivi ad alta efficienza che generano elettricità facendo reagire l'idrogeno o gli idrocarburi con l'ossigeno ad alte temperature (da 600°C a 1.000°C) utilizzando un elettrolita ceramico solido. Offrono vantaggi quali elevate efficienze elettriche (50-60%), flessibilità dei combustibili (idrogeno, gas naturale, biogas) e stabilità a lungo termine. Tuttavia, devono affrontare sfide come il degrado dei materiali, i lunghi tempi di avviamento, i problemi di gestione termica e i costi elevati dovuti ai materiali e ai processi di produzione.

Le SOFC sono adatte alla generazione di energia stazionaria, alle applicazioni industriali e all'alimentazione remota o marina, sfruttando la loro elevata efficienza e la capacità di utilizzare il calore di scarto. Il superamento delle barriere tecniche ed economiche attraverso i progressi nei materiali e nelle tecniche di produzione è essenziale per una più ampia adozione. Nonostante le sfide attuali, le SOFC sono molto promettenti per contribuire a un futuro energetico sostenibile con una riduzione delle emissioni di gas serra.

Aziende come Bloom Energy sono all'avanguardia nello sviluppo di SOFC, offrendo soluzioni energetiche efficienti e scalabili per uso industriale e commerciale.

Primi utilizzatori e applicazioni in crescita

Trasporto

Autovetture / Veicoli a celle a combustibile a idrogeno (FCV)

I veicoli FCV a idrogeno sono in prima linea nell'adozione iniziale, con aziende come Toyota (Mirai) e Hyundai (Nexo) che producono modelli di autovetture a idrogeno disponibili in commercio. Questi veicoli offrono un'autonomia maggiore e un rifornimento più rapido rispetto ai veicoli elettrici a batteria (BEV). Tuttavia, sebbene il numero di stazioni di rifornimento stia crescendo, lentamente, non sono ancora diffuse.  

Toyota, in particolare, è rimasta fedele alla sua visione di una diffusione capillare delle auto a idrogeno: questo spiega in parte il motivo del ritardo nello sviluppo di un portafoglio di veicoli elettrici.

Trasporto pesante

L'alta densità energetica dell'idrogeno e la rapidità di rifornimento lo rendono ideale per applicazioni pesanti come camion, autobus e treni. 

Tra i principali progressi vi sono i camion a idrogeno di Nikola Motors con autonomia fino a 500 miglia e i camion a celle a combustibile XCIENT di Hyundai in Europa. Le città europee e la Cina stanno adottando autobus a idrogeno, mentre il treno a idrogeno Coradia iLint di Alstom opera in Germania. Il settore marittimo sta sviluppando navi a idrogeno, come i traghetti Norled in Norvegia, con l'obiettivo di un trasporto a emissioni zero. 

La crescita delle stazioni di rifornimento di idrogeno per autocarri sta accelerando a livello globale. Il Nord America e l'Europa stanno espandendo le loro reti, con progetti significativi da parte di aziende come Nikola Motors e iniziative governative nelle città che adottano autobus a idrogeno, garantendo infrastrutture di rifornimento comode e diffuse.

 Applicazioni industriali

L'idrogeno potrebbe, in teoria, essere utilizzato in molti processi di produzione industriale e chimica. La relativa difficoltà di produrlo, trasportarlo e immagazzinarlo, tuttavia, fa sì che spesso non sia un'alternativa pratica o conveniente ai tradizionali combustibili fossili come il carbone.

Produzione di acciaio

L'industria siderurgica, una delle principali responsabili delle emissioni di CO2, sta esplorando processi di riduzione basati sull'idrogeno per produrre acciaio verde. Aziende come SSAB in Svezia sono pioniere di questo approccio, con l'obiettivo di sostituire il carbone con l'idrogeno.

SSAB, in collaborazione con LKAB e Vattenfall, è alla guida dell'iniziativa HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). HYBRIT mira a sostituire il carbone nel processo di produzione dell'acciaio con l'idrogeno, che produce acqua anziché CO₂. L'impianto pilota di SSAB a Luleå, in Svezia, ha già prodotto il primo ferro spugnoso al mondo ridotto all'idrogeno.

Anche altre aziende, soprattutto in Europa, stanno sperimentando l'idrogeno al posto dei tradizionali combustibili fossili.  

Salzgitter AG sta sviluppando il progetto SALCOS (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) per decarbonizzare la produzione di acciaio. Questa iniziativa prevede l'uso dell'idrogeno per la riduzione diretta del minerale di ferro. Salzgitter ha stretto una partnership con Sunfire GmbH per utilizzare la sua tecnologia di elettrolisi ad alta temperatura per la produzione di idrogeno verde.

ArcelorMittal sta esplorando diversi progetti basati sull'idrogeno per ridurre le emissioni di CO₂. Ad Amburgo, in Germania, sta testando un impianto di riduzione diretta che utilizza l'idrogeno per produrre ferro ridotto diretto (DRI). Questo progetto pilota mira a dimostrare la fattibilità dell'idrogeno come agente riducente nella produzione di acciaio.

Tata Steel sta lavorando al progetto HIsarna presso lo stabilimento di IJmuiden, che mira a ridurre le emissioni di CO₂ integrando l'idrogeno nel processo di produzione dell'acciaio. Il progetto si concentra sulla conversione del minerale di ferro in ferro utilizzando l'idrogeno al posto dei materiali a base di carbonio.

Thyssenkrupp sta sviluppando il progetto Carbon2Chem, che prevede l'utilizzo dell'idrogeno per produrre acciaio. Il progetto mira a catturare e convertire le emissioni del settore siderurgico in prodotti chimici, utilizzando l'idrogeno come componente chiave. Thyssenkrupp sta inoltre pianificando la costruzione di un impianto di riduzione diretta a idrogeno a Duisburg.

Industria chimica

L'idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi alimentata da energia rinnovabile, sta trasformando la produzione di ammoniaca e metanolo, sostanze chimiche cruciali con importanti applicazioni industriali.

Tradizionalmente, l'ammoniaca viene prodotta attraverso il processo Haber-Bosch utilizzando idrogeno derivato dal gas naturale, con notevoli emissioni di CO₂. Utilizzando l'idrogeno verde, il processo combina questo idrogeno con l'azoto dell'aria per produrre ammoniaca senza emettere CO₂. Questa ammoniaca verde è fondamentale per i fertilizzanti e come potenziale vettore energetico privo di carbonio.

Il metanolo viene tipicamente prodotto dal syngas (una miscela di idrogeno, monossido di carbonio e CO₂) derivato dal gas naturale o dal carbone, che emette anch'esso una notevole quantità di CO₂. L'idrogeno verde, combinato con la CO₂ catturata, può produrre metanolo tramite idrogenazione, ottenendo metanolo e acqua. Il metanolo verde serve come materia prima chimica e come carburante, con un'impronta di carbonio molto più bassa.

In particolare, Yara International e Siemens-CF Industries stanno portando avanti progetti di ammoniaca verde. La Carbon Recycling International (CRI) in Islanda produce metanolo rinnovabile utilizzando idrogeno verde e CO₂.

Altri settori

Oltre all'acciaio e ai prodotti chimici, l'idrogeno viene esplorato in vari processi industriali per ridurre le emissioni e migliorare la sostenibilità:

1. Produzione di cemento: L'idrogeno può sostituire il carbone e il gas naturale nei forni da cemento per ridurre le emissioni di CO₂.
2. Produzione del vetro: L'idrogeno serve come combustibile pulito per i forni ad alta temperatura.
3. Raffinerie: Il passaggio all'idrogeno verde per l'idrocracking e la desolforazione può ridurre le emissioni.
4. Alimenti e bevande: L'idrogeno alimenta forni e caldaie, riducendo l'uso di combustibili fossili.
5. Tessili e Pape*: L'idrogeno offre un'alternativa più pulita per il riscaldamento e la generazione di vapore.
6. Operazioni minerarie: Le celle a combustibile a idrogeno alimentano i macchinari pesanti, riducendo l'impatto ambientale.
7. Produzione elettronica: L'idrogeno verde è utilizzato nella produzione di semiconduttori.
8. Trasporti e logistica: Le celle a combustibile a idrogeno alimentano camion, autobus, carrelli elevatori e attrezzature per la movimentazione dei materiali.

Questi sviluppi dimostrano il potenziale dell'idrogeno per la decarbonizzazione di varie industrie ad alte emissioni, ma rimane un'opzione più costosa e meno pratica dello status quo.

Accumulo di energia e generazione di energia

Accumulo di energia su scala di rete

L'idrogeno può stabilizzare la rete elettrica immagazzinando l'energia rinnovabile in eccesso e rilasciandola durante i picchi di domanda. 

Durante i periodi di surplus di produzione di energia rinnovabile, gli elettrolizzatori utilizzano l'elettricità in eccesso per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno viene poi immagazzinato come gas compresso, idrogeno liquido o in composti chimici. Quando la domanda supera l'offerta, l'idrogeno immagazzinato viene riconvertito in elettricità tramite celle a combustibile o turbine a combustione. 

Le celle a combustibile generano elettricità combinando idrogeno e ossigeno, mentre le turbine a combustione bruciano idrogeno per produrre energia. Questo processo aiuta a bilanciare la domanda e l'offerta, fornisce energia di riserva affidabile e favorisce la regolazione della frequenza. 

I sistemi di stoccaggio dell'idrogeno sono scalabili e possono immagazzinare energia per lunghi periodi, il che li rende ideali per l'integrazione con le fonti di energia rinnovabili e per migliorare la stabilità della rete. Questo approccio favorisce un sistema energetico più affidabile e sostenibile, garantendo una fornitura di energia costante nonostante la variabilità delle fonti di energia rinnovabili.

Progetti come l'europeo HyDeploy mirano a integrare l'idrogeno nelle reti del gas naturale, sfruttando le infrastrutture esistenti.

Sistemi di alimentazione di backup

Le celle a combustibile a idrogeno offrono un'alimentazione di riserva affidabile e pulita per infrastrutture critiche come i centri dati. Forniscono energia continua finché l'idrogeno viene fornito e possono avviarsi rapidamente per garantire un backup immediato durante le interruzioni. 

Generando energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica, le celle a combustibile emettono solo acqua e calore, il che le rende ecologiche e riduce l'impronta di carbonio, soprattutto quando si utilizza idrogeno verde.

Le celle a combustibile sono altamente efficienti, modulari e scalabili, e consentono di soddisfare esigenze specifiche di energia, offrendo al contempo una manutenzione ridotta e un funzionamento silenzioso. La produzione e lo stoccaggio dell'idrogeno in loco aumentano la sicurezza energetica, garantendo l'indipendenza dalla rete e una fornitura costante di carburante. 

Adottando le celle a combustibile a idrogeno, i data center possono ottenere un'alimentazione affidabile e ininterrotta, ridurre le emissioni e contribuire agli obiettivi di sostenibilità, rendendole un'alternativa interessante ai tradizionali generatori diesel.

Aziende come Microsoft stanno sperimentando le celle a combustibile a idrogeno per i loro centri dati.

Stoccaggio e trasporto dell'idrogeno

Immagazzinamento

Lo stoccaggio dell'idrogeno è essenziale per utilizzarlo come vettore energetico, soprattutto per l'integrazione delle energie rinnovabili, i trasporti e i processi industriali. Soluzioni di stoccaggio efficaci devono affrontare le sfide legate alla densità energetica, ai costi, alla sicurezza e alle infrastrutture. Alcuni dei principali metodi di stoccaggio dell'idrogeno sono:

Stoccaggio di gas compresso

L'idrogeno viene stoccato in serbatoi ad alta pressione (da 350 a 700 bar). Questa tecnologia matura è ampiamente utilizzata, in particolare nei veicoli a celle a combustibile a idrogeno (FCV). Pur essendo relativamente semplice, la densità energetica è inferiore rispetto ad altri metodi e richiede volumi di stoccaggio maggiori. Lo stoccaggio ad alta pressione richiede inoltre materiali resistenti e durevoli, con conseguente aumento dei costi.

Stoccaggio di idrogeno liquido

L'idrogeno viene raffreddato a -253°C e immagazzinato come liquido in contenitori isolati. Questo metodo offre una maggiore densità di energia, rendendolo adatto ad applicazioni con limiti di spazio come quelle aerospaziali. Tuttavia, il mantenimento di temperature criogeniche richiede una notevole quantità di energia e un isolamento specializzato, con conseguente aumento della complessità e dei costi. Inoltre, nel tempo si verificano perdite per ebollizione.

Stoccaggio di prodotti chimici

L'idrogeno può essere immagazzinato in composti chimici come gli idruri metallici, l'ammoniaca o i vettori di idrogeno organico liquido (LOHC). Gli idruri metallici offrono un'elevata densità energetica volumetrica e sicurezza, ma hanno tassi di rilascio dell'idrogeno lenti. L'ammoniaca ha un'elevata densità energetica e un'infrastruttura consolidata, ma è tossica e corrosiva. I LOHC offrono una gestione sicura e utilizzano le infrastrutture esistenti, ma richiedono processi ad alta intensità energetica per rilasciare l'idrogeno.

Stoccaggio sotterraneo

L'idrogeno può essere immagazzinato in caverne sotterranee, cupole saline o giacimenti di gas naturale esauriti. Questo metodo è economicamente vantaggioso per grandi volumi e adatto allo stoccaggio su scala di rete, ma richiede formazioni geologiche adatte e presenta rischi di perdite e contaminazione.

Materiali avanzati

Sono in corso ricerche su materiali avanzati come i quadri metallo-organici (MOF) e i materiali a base di carbonio. Questi materiali potrebbero offrire elevate capacità di stoccaggio a basse pressioni e temperature ambiente, ma sono ancora in fase di ricerca e devono affrontare sfide in termini di scalabilità e costi.

Trasporto

Condotte

L'idrogeno può essere trasportato attraverso i gasdotti del gas naturale esistenti, con modifiche, o attraverso nuovi gasdotti dedicati all'idrogeno. Progetti come l'European Hydrogen Backbone propongono di creare una rete transeuropea dell'idrogeno entro il 2040.

Autocisterne

Per le distanze più brevi, l'idrogeno può essere trasportato in forma compressa o liquefatta con autocisterne. Questo metodo è attualmente utilizzato per la fornitura di idrogeno industriale.

Spedizione

Il trasporto di idrogeno liquido è in fase di sviluppo per il trasporto internazionale. Kawasaki Heavy Industries ha lanciato il primo vettore di idrogeno liquefatto al mondo, Suiso Frontier, che faciliterà il commercio di idrogeno su larga scala.

Metodi innovativi

Stanno emergendo anche nuove opzioni di trasporto, spesso in concomitanza con il trasporto di materiali chiave nei processi industriali.

Ad esempio, l'idrogeno può essere incorporato nel minerale di ferro per il trasporto alle acciaierie. Si tratta di utilizzare l'idrogeno per ridurre il minerale di ferro in ferro ridotto diretto (DRI), riducendo in modo significativo le emissioni di anidride carbonica nella produzione di acciaio. Questo metodo sostituisce il carbonio con l'idrogeno nel processo di riduzione, producendo vapore acqueo invece di anidride carbonica. Il DRI, contenente idrogeno incorporato, viene poi trasportato nei siti di produzione dell'acciaio per un'ulteriore lavorazione tramite forni elettrici ad arco (EAF), che possono essere alimentati da energia rinnovabile. Questo approccio decarbonizza l'industria siderurgica, sfrutta la logistica esistente per il minerale di ferro e promuove l'uso di idrogeno verde.

Problemi normativi

Standard di sicurezza

L'infiammabilità dell'idrogeno richiede standard di sicurezza rigorosi per la produzione, lo stoccaggio e il trasporto. Organismi di regolamentazione come l'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno sviluppando linee guida di sicurezza per garantire una gestione sicura.

Sviluppo dell'infrastruttura

I quadri normativi devono sostenere lo sviluppo delle infrastrutture, compresi oleodotti, stazioni di rifornimento e impianti di stoccaggio. Le politiche che promuovono i partenariati pubblico-privato e la semplificazione dei processi di autorizzazione sono essenziali.

Incentivi e sussidi

I governi stanno implementando incentivi come crediti d'imposta, sovvenzioni e sussidi per promuovere l'adozione dell'idrogeno. Il Green Deal dell'Unione Europea, ad esempio, prevede finanziamenti significativi per i progetti sull'idrogeno.

Investimenti governativi

Europa

L'Unione Europea è leader negli investimenti nell'idrogeno, con la strategia dell'UE per l'idrogeno che mira a installare 40 GW di elettrolizzatori entro il 2030. Paesi come la Germania, la Francia e i Paesi Bassi hanno strategie nazionali per l'idrogeno molto importanti, che investono miliardi in ricerca, infrastrutture e progetti pilota.

Asia

Il Giappone e la Corea del Sud sono pionieri dell'economia dell'idrogeno. La strategia di base per l'idrogeno del Giappone mira a una società basata sull'idrogeno, con investimenti in veicoli a celle a combustibile e nella produzione di idrogeno. La Roadmap per l'economia dell'idrogeno della Corea del Sud mira a distribuire 5,26 milioni di veicoli a idrogeno entro il 2040.

Nord America

Gli Stati Uniti stanno aumentando gli investimenti nell'idrogeno, con l'iniziativa "Hydrogen Energy Earthshot" del DOE che mira a ottenere $1/kg di idrogeno entro il 2030. La California è in prima linea, con un'ampia infrastruttura di rifornimento di idrogeno e incentivi per le FCV a idrogeno. La strategia canadese per l'idrogeno si concentra sulla produzione di idrogeno verde e sul potenziale di esportazione.

Mostra potenziale, margine di miglioramento...

L'idrogeno è un'alternativa versatile e promettente ai combustibili fossili, con applicazioni che spaziano dai trasporti ai processi industriali e all'accumulo di energia. I primi utilizzatori nel settore automobilistico e dei trasporti pesanti stanno dimostrando il potenziale dell'idrogeno, mentre le applicazioni industriali offrono significative opportunità di decarbonizzazione. Soluzioni efficaci per il trasporto e lo stoccaggio sono fondamentali per il successo dell'idrogeno e richiedono progressi nelle infrastrutture e nella tecnologia.

I quadri normativi e gli investimenti governativi sono fondamentali per promuovere l'adozione dell'idrogeno. Con standard di sicurezza solidi, politiche di sostegno e finanziamenti consistenti, l'idrogeno può svolgere un ruolo cruciale nel raggiungimento degli obiettivi climatici globali. 

Ma - e questo è vero da molto tempo - l'idrogeno non è riuscito a mantenere le sue promesse. 

Con il progredire della tecnologia e la realizzazione di economie di scala, il ruolo dell'idrogeno nella transizione energetica dovrebbe continuare ad espandersi, offrendo un percorso più sostenibile.