transizione energetica

Idrogeno verde, Italia hub di energia pulita per l’Europa? Urge una strategia

L’Italia è ben posta per beneficiare dei futuri sviluppi della tecnologia per l’idrogeno “verde” grazie alla sua posizione geografica e alla vasta infrastruttura del gas. Nel nostro Paese, l’idrogeno ha grandi prospettive di sviluppo anche in termini di esportazione negli altri Paesi europei. Facciamo il punto

29 Apr 2021
Francesco Beltrame Quattrocchi

Ordinario di Bioingegneria Università degli Studi di Genova; Presidente di ENR - Ente Nazionale di Ricerca e promozione per la standardizzazione

Alessia Sortino

ENR – Ente Nazionale di Ricerca e promozione per la standardizzazione

idrogeno verde

Idrogeno verde, frontiera di transizione ecologica energetica.

Nel processo di trasformazione del settore energetico da fossile a zero emissioni di carbonio, l’idrogeno è considerato uno dei vettori maggiormente promettenti per il futuro dell’energia decarbonizzata.

In particolare l’idrogeno verde, ossia quello prodotto mediante elettrolisi dell’acqua usando energia elettrica prodotta da una centrale alimentata da energie rinnovabili (idroelettrica, solare o fotovoltaica).

L’idrogeno possiede quindi una serie di caratteristiche chiave che lo rendono una scelta strategica per raggiungere la transizione energetica in alcuni settori. L’idrogeno è: pulito, versatile, sinergico, innovativo, funzionale, interconnesso. È un mezzo influente per convertire, conservare e utilizzare energia. Può essere generato utilizzando un numero enorme di fonti, può servire da combustibile, vettore energetico, materia prima chimica e, il suo utilizzo non comporta emissioni di anidride carbonica.

In Italia, l’idrogeno ha importanti prospettive di sviluppo, tanto da far pensare che il nostro Paese potrebbe diventare un hub di energia pulita per l’Europa. Purtroppo, però, non è ancora stata definita una strategia per beneficiare dei vantaggi di questo importante vettore, di cui andiamo ad approfondire caratteristiche e applicazioni.

Mare pulito, idrogeno “verde” elemento chiave per la transizione energetica: le norme che servono

Idrogeno verde, elemento chiave per la transizione verso un’economia a impatto ambientale zero

Negli ultimi anni, la grande avanzata delle fonti rinnovabili sta spingendo a considerare le enormi potenzialità dell’idrogeno nel nuovo quadro energetico che mira alla completa decarbonizzazione entro il 2050. L’idrogeno si è in questo momento affermato come elemento chiave per la transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio, ed è al centro delle agen­de politiche e delle strategie energe­tiche di numerosi Paesi e dell’Unione Europea. L’Europa, candidatasi a diventare nel 2050 il primo continente climate-neutral al mondo ha assegnato all’idrogeno un ruolo considerevole nel proprio progetto strategico di transizione verso un’economia con impatto ambientale zero, lanciando a dicembre del 2019 il Green Deal, un piano di investimenti per il raggiungimento della carbon neutrality.

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L’attenzione verso l’idrogeno come vettore energetico è da sempre rivolta ad alcune sue interessanti caratteristi­che: è leggero (14 volte più dell’aria), più facilmente imma­gazzinabile a lungo termine rispetto all’energia elettrica, ad alto contenuto di energia per unità di massa e, può essere facilmente pro­dotto su scala industriale. Un altro aspetto fondamentale è sicuramente la possibilità di utilizzare l’idrogeno per produrre energia “pulita”. In particolare, l’idrogeno, se utilizzato come combustibile nei mezzi di trasporto, reagendo con l’ossigeno, produce come unico prodotto di scarto l’acqua, eliminando completamente le emissioni di anidride carbonica e i relativi problemi ambientali.

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Idrogeno: un elemento, tanti colori

Nonostante sia l’elemento più abbondante sulla terra, è presente sempre in combinazione con altri elementi, il problema è, infatti, che l’idrogeno in forma libera non è presente in natura, tuttavia può essere prodotto attraverso un’ampia gamma di processi chimici e fisici. Si distinguono diversi tipi di idrogeno, ed è assegnato un colore per definire il modo in cui è estratto dalle molecole con cui è combinato: l’idrogeno “nero” è estratto dall’acqua utilizzando la corrente prodotta in una centrale elettrica a carbone o a petrolio; l’idrogeno “grigio” è prodotto da gas naturale mediante il processo di steam reforming; l’idrogeno “blu” è prodotto anch’esso dallo steam reforming ma in questo caso l’impianto di produzione è accoppiato con un sistema di cattura e stoccaggio della CO2 che si forma nella reazione, evitandone quindi le emissioni; l’idrogeno “viola” è estratto dall’acqua usando la corrente prodotta da una centrale nucleare.

Idrogeno verde, cos’è

L’idrogeno “verde” è prodotto mediante elettrolisi dell’acqua usando energia elettrica prodotta da una centrale alimentata da energie rinnovabili (idroelettrica, solare o fotovoltaica). Tale processo risente però del limite dovuto al consumo, e quindi al costo dell’energia elettrica. Un rilevante sviluppo si è ottenuto con gli elettrolizzatori a tecnologia alcalina, la cui capacità è stata aumentata grazie alla combinazione dell’elettrolisi ad alta pressione (30 bar) con elettrodi avanzati ad alta densità di corrente. L’idrogeno “viola” e l’idrogeno “verde” sono idrogeno de-carbonizzato al 100% poiché durante la produzione non è immessa in atmosfera alcuna quantità di anidride carbonica.

Attualmente la produzione mondiale di H2 è di circa settanta milioni di tonnellate l’anno, prodotte, per il 95% da gas naturale (prevalentemente senza cattura della CO2) e per il 4-5% da elettrolisi. L’idrogeno “verde” rappresenta adesso una quota ridotta della produzione complessiva globale e la capacità installata di elettrolizzatori ammonta a circa 150 MW. L’attuale consumo finale di idrogeno in Italia è pari a circa 16 TWh, pari all’1% dei consumi finali di energia a livello nazionale e corrispondente a circa 480.000 tonnellate l’anno. L’idrogeno può essere trasformato in energia elettrica pulita immettendolo nelle celle a combustibile e nei suoi vari utilizzi non genera emissioni di anidride carbonica, né emissioni dannose per l’uomo e per l’ambiente. Per questa ragione può assumere un ruolo decisivo per il raggiungimento degli obiettivi europei e globali di decarbonizzazione entro il 2050. I processi produttivi convenzionali basati sull’utilizzo di materie prime e combustibili fossili dovranno essere progressivamente dismessi, lasciando il posto a processi innovativi basati sull’uso di fonti rinnovabili.

Ad oggi, circa 3/4 dell’idrogeno prodotto a livello globale è utilizzato come materia prima nei processi industriali in ambito siderurgico, petrolchimico e alimentare, ma sta iniziando a diffondersi anche nella mobilità e in futuro potrà sostituire il gas naturale nel riscaldamento di edifici. Oltre agli usi energetici, l’idrogeno “ver­de” può contribuire alla decarbonizza­zione dei processi industriali essendo utilizzato come materia prima o fluido di processo.

Le principali applicazioni dell’idrogeno a livello industriale

Le principali applicazioni dell’idrogeno a livello industriale sono:

  • Chimica: la produzione di ammoniaca e di metanolo sono i maggiori settori di utilizzo dell’idrogeno, questi ultimi potranno avvalersi dello sviluppo di processi decarbonizzati per ridurre le emissioni globali generate;
  • Raffinazione: questo settore è il secondo per volumi di idrogeno impiegato nell’industria, in particolare nei processi di hydrocracking e di hydrotreating, con la funzione di creare carburante più green grazie alla diminuzione delle emissioni di zolfo;
  • Siderurgia: il processo di specifica applicazione prevede l’impiego di idrogeno come agente per ottenere una diminuzione delle emissioni inquinanti all’interno di un altoforno.

Il “tavolo idrogeno” verde del Mise

Visto il crescente interesse a livello internazionale, verso l’idrogeno, il Ministero dello Sviluppo Economico ha convocato il “tavolo idrogeno” così da favorire l’avvio di un percorso che permetterà la definizione di priorità, indirizzi e valutazioni di competitività nel settore delle tecnologie dell’idrogeno, con l’obiettivo di favorire lo sviluppo di progetti nella filiera in ambito nazionale. All’iniziativa hanno aderito oltre trentacinque società ed enti di ricerca attivi in Italia nella filiera dell’idrogeno. Per l’idrogeno, come per qualunque vettore energetico, gli aspetti da tenere in conto e che costituiscono la filiera, oltre alla produzione, sono il trasporto, lo stoccaggio e l’utilizzo.

Secondo uno studio Snam-Mckinsey, in uno scenario di decarbonizzazione al 95%, ipotizzando una quota di idrogeno negli usi finali pari al 23% in sostituzione dei combustibili fossili, l’idrogeno permetterebbe all’Italia di ridurre le emissioni di 97,5 milioni di tonnellate di CO2, corrispondente ad una riduzione di circa il 28% rispetto alle emissioni italiane nel 2018. Questa crescita potrebbe verificarsi grazie alla progressiva e ormai consolidata diminuzione del costo di produzione dell’energia elettrica rinnovabile solare ed eolica e a una riduzione del costo degli elettrolizzatori, determinata dalla produzione di idrogeno verde su larga scala. A oggi l’idrogeno “grigio” costa tra 1,5 e 2 €/kg; l’idrogeno “blu” costa tra 2 e 2,5 €/kg; l’idrogeno “verde” costa oltre 5 €/kg, quindi circa tre volte quello “grigio”. È chiaro quindi che il problema principale per incrementare l’utilizzo di questo vettore è di ridurre i costi di produzione dell’idrogeno “verde”. Secondo uno studio di Bloomberg New Energy Finance, i costi di produzione dell’idrogeno “verde” potranno scendere di oltre il 70% nei prossimi dieci anni.

Transizione verde dell’Italia, la sfida raccolta dal nuovo Governo

L’Italia hub di energia pulita per l’Europa

L’interesse verso l’idrogeno è sempre crescente soprattutto in determinati ambiti, prodotto mediante fonti rinnovabili, sarà possibile decarbonizzare anche quei settori dell’economia che non possono essere facilmente o diret­tamente elettrificati, come ad esempio l’industria pesante, l’aviazione, il tra­sporto su strada o marittimo a grandi distanze. Il mercato dell’idrogeno crescerà ulteriormente con la diminuzione del costo di produzione che diventa significativamente inferiore se questo sarà prodotto in Africa, dove la produzione potrà beneficiare di altri tipi d’energia da fonti rinnovabili (per esempio, fotovoltaico). Secondo un’analisi della società di consulenza The European House-Ambrosetti, in collaborazione con il gruppo energetico Snam, l’Italia, ben posta per beneficiare dei futuri sviluppi della tecnologia per l’idrogeno “verde” grazie alla sua posizione geografica e alla vasta infrastruttura del gas, potrebbe diventare un hub di energia pulita per l’Europa importando l’idrogeno verde prodotto nel nord dell’Africa a un prezzo inferiore del 10-15% rispetto a quanto costerebbe produrlo localmente. Inoltre in Italia, benché non abbia ancora realizzato una strategia per questo promettente vettore energetico, in grado di generare benefici sia dal punto di vista ambientale che industriale, l’idrogeno ha grandi prospettive di sviluppo poiché ci sono oltre 34000 km di gasdotti esistenti per la trasmissione e oltre 250000 km per la distribuzione.

Queste caratteristiche potrebbero favorire l’esportazione dell’idrogeno anche negli altri Paesi europei. L’idrogeno, come tutti i gas, ha facilità di trasporto e stoccaggio a basso costo, e può offrire una soluzione per stoccare energia a un costo dieci volte inferiore rispetto alle batterie. L’idrogeno può essere efficacemente usato come un vettore, in grado di trasportare in maniera proficua e molto versatile l’energia prodotta da fonti rinnovabili in luoghi lontani rispetto all’utilizzo. Ciò può avvenire sfruttando infrastrutture dedicate o, innanzitutto nelle prime fasi di diffusione, tramite la miscelazione nelle reti gas esistenti.

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L’European Clean Hydrogen Alliance

L’8 luglio 2020 la Commissione Europea ha presentato la strategia europea dell’idrogeno che punta a estendere l’uso dell’idrogeno in sostituzione ai combustibili fossili. Tale strategia definisce una tabella di marcia suddivisa in tre fasi per lo sviluppo graduale dell’idrogeno. In una prima fase (2020-2024) l’UE dovrebbe decarbonizzare l’attuale produzione di idrogeno, con almeno un milione di tonnellate di idrogeno rinnovabile e l’installazione di almeno 6 GW di elettrolizzatori.

Nel corso della seconda fase (2025-2030) l’idrogeno “verde” dovrebbe diventare una parte sostanziale del sistema energetico europeo, con un minimo di dieci milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile e 40 GW di elettrolizzatori installati. Infine, nella terza fase (2030-2050) le tecnologie per l’idrogeno verde dovrebbero essere mature a sufficienza per uno sviluppo su larga scala, contribuendo in modo sostanziale alla decarbonizzazione dell’UE entro il 2050.

Idrogeno green

Al fine di rendere concreti tali obiettivi, la Commissione Europea ha presentato l’European Clean Hydrogen Alliance, un’iniziativa pubblico-privata che unisce i leader industriali, la società civile, i ministri nazionali e regionali e la Banca Europea per gli Investimenti, con l’obiettivo di identificare le esigenze tecnologiche, le opportunità e i fattori abilitanti dell’idrogeno. Tal ente avrà il compito di definire il dettaglio operativo della prima fase e lavorerà su sei pilastri (applicazioni residenziali, trasmissione e distribuzione, mobilità, produzione, applicazioni industriali, settore energetico), coordinando fornitori e consumatori di idrogeno green.

Conclusioni

In passato, l’alto costo dell’ener­gia prodotta da fonte rinnovabile era considerato il principale ostacolo per lo sviluppo dell’economia dell’idrogeno. Le ricerche in atto su tutta la filiera sono molto promettenti, tuttavia i problemi esistenti in questo momento fanno ritenere che si dovrà assistere a un periodo di transizione attraverso l’idrogeno “blu”, con un passaggio progressivo a quello “verde” dal 2025. L’idrogeno “blu” sarà quindi fondamentale nella fase di transizione nel breve-medio periodo in cui l’idrogeno inizierà a essere largamente utilizzato nei settori finali.

Questo però sarà progressivamente affiancato e, in seguito sostituito, dall’idrogeno “verde” fino a poter ipotizzare una produzione 100% green di idrogeno al 2050. Lo sviluppo di sistemi energetici ed economici sempre più decarbonizzati e basati sull’idrogeno “verde” scaturirà da diversi fattori strategici tra i quali: il superamento dell’incertezza politica e tecnologica, la definizione di norme e standard condivisi e accettati a li­vello internazionale, la riduzione dei costi di produzione delle energie rinnovabili, lo sviluppo di un’infra­struttura adeguata al trasporto e alla distribuzione, la realizzazione di investimenti pubblici e privati nel settore infrastrutturale.

Bibliografia

Alverà M., rivoluzione idrogeno, Mondadori, 2020.
Confindustria, «Piano d’azione per l’idrogeno,» 2020.
ENEA, «I colori dell’idrogeno nella transizione energetica,» Energia, ambiente e innovazione, vol. 2, 2020.
Renssen S., «The hydrogen solution?,» Nature Climate Change, vol. 10, pp. 799-801, 2020.
Snam, «THE HYDROGEN CHALLENGE: The potential of hydrogen in Italy,» 2019.
T. E. House-Ambrosetti e Snam, «H2 ITALY 2050, Una filiera nazionale dell’idrogeno per la crescita e la decarbonizzazione dell’Italia,» 2020.
Zerboni G., «Idrogeno: l’energia futura passa di qui?,» AIDIC, n. 4, 2020.

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