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

sostenibilità ambientale

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

L’idrogeno si è affermato elemento chiave per la transizione energetica ed è al centro delle agen­de politiche e delle strategie energe­tiche Ue. Nel settore marittimo in cui l’elettrificazione, specialmente di navi di medie e grandi dimensioni, è difficile, potrebbe rappresentare un punto di svolta. Cosa serve

21 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

L’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico, tuttora frenato dagli elevati costi di produzione dell’idrogeno “verde”, mostra oggi delle grandi possibilità di sviluppo, tanto da poter considerare questo l’elemento della principale conversione energetica nel settore marittimo.

Uno dei problemi è legato alla mancanza di un quadro legislativo chiaro: attualmente infatti non esiste un regolamento riconosciuto a livello internazionale per l’uso dell’idrogeno come combustibile a bordo di imbarcazioni navali.

Facciamo il punto.

Mare pulito e sicuro, le soluzioni tecnologiche per l’energia pulita

Nell’aprile 2018, l’International Maritime Organization (IMO) ha adottato un’ambiziosa strategia di riduzione delle emissioni di gas a effetto serra (CO2 e CH4) nel trasporto marittimo. Prendendo in considerazione il 2008 come anno di riferimento, tale strategia mira a dimezzare le emissioni totali di questi gas entro il 2050. I regolamenti pongono dei limiti alla quantità di ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx) e particolato (PM2.5) emessi dagli scarichi delle navi.

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Oggi esiste una concreta motivazione collettiva per il raggiungimento di un’economia a zero emissioni. Il Green Deal Europeo punta ad avere, entro il 2050, emissioni nette pari a zero in qualunque settore. Nel 2019 il Green Deal Europeo ha rappresentato un punto di svolta, mettendo su carta mille miliardi di euro, obiettivi stringenti e una chiara visione: riduzione delle emissioni del 55% entro il 2030 e raggiungimento della neutralità climatica entro il 2050. Attualmente il 25% delle emissioni in Europa è dovuto al trasporto, di questo il 5% è costituito dal trasporto navale, tale dato è rilevante perché una nave di grandi dimensioni in un porto inquina localmente in maniera elevata.

ENR (Ente Nazionale di Ricerca e promozione per la standardizzazione), insieme a Cetena, Fincantieri e Rina, cerca di rispondere alla domanda di mare pulito e sicuro mediante le possibili risposte, in termini di offerta, di imbarcazioni verdi e autosufficienti. L’obiettivo è coniugare la questione della sostenibilità ambientale e la questione dell’innovazione tecnologica. Quest’ultima ha come requisito fondamentale l’aumento della sicurezza di chi lavora in mare, di chi vive in mare e di tutta la filiera collegata a questo settore. Le soluzioni tecnologiche ICT innovative e sostenibili sono fondamentali per la produzione di energia pulita, per un ambiente sempre meno inquinato e per un mare sempre più sicuro. Tutto ciò fa riferimento al Bacino del Mediterraneo ma intrinsecamente ha una dimensione internazionale che si applica anche ad altri bacini come quello dell’oceano Indiano che interessa i paesi IORA (Indian Ocean Rim Association).

In questo momento la pesca è costituita solo da imbarcazioni vecchie a diesel. È possibile fare una riconversione di tali motori con quelli a combustibili alternativi, come l’idrogeno? Quanto tempo ci vorrà per raggiungere uno scenario tecnologico credibile? Bisogna evitare che ci si ricordi solo delle navi da crociera poiché è fondamentale tenere in considerazione anche il settore della pesca, eccellenza italiana. Sarebbe ideale poter motorizzare tutte le imbarcazioni con la propulsione elettrica, il problema più grande però dei combustibili alternativi è legato ai costi dei nuovi impianti di propulsione. I costi di acquisto e di gestione giocano un ruolo primario nel settore della pesca e sono un ostacolo importante a livello progettuale. Le unità navali veloci come traghetti, aliscafi e catamarani negli ultimi anni hanno fatto un’evoluzione dal punto di vista tecnologico, questo, però non è ancora sufficiente a rispettare tutte le normative imposte al fine di ridurre le emissioni delle navi nei confronti dell’ambiente. Negli ultimi anni sono state studiate nuove tecnologie per trovare delle alternative ai combustibili tradizionali ma le difficoltà da superare sono ancora molte. L’uso di tecnologie ibride che utilizzano gas naturale liquefatto o batterie, in combinazione agli attuali motori diesel, porta a una propulsione che diventa troppo pesante a causa di ingombro e peso. È fondamentale quindi avere delle linee guida e delle normative che portino al raggiungimento, mediante un’innovazione tecnologica, di flotte all’avanguardia con particolare attenzione ai temi ambientali.

La Dichiarazione di Napoli

Nonostante il Mediterraneo sia solo lo 0,8% della superfice marina mondiale, è una grande sorgente di biodiversità, contiene, infatti, il 7,5% delle specie marine con il 4,5% della biodiversità. Durante il COP 21 MED, tenutosi a Napoli il 4 dicembre del 2019, la Conferenza degli Stati ha approvato la Dichiarazione di Napoli in cui è stato approvato il documento finale che impegna tutti i ventuno Stati del bacino del Mediterraneo, assieme all’Unione Europea, a lavorare congiuntamente nei prossimi anni su una serie di obiettivi:

  • il marine litter;
  • il contrasto fino alla completa eliminazione dei rifiuti;
  • il rafforzamento del sistema di aree protette e la tutela della biodiversità;
  • nuove strategie per contrastare i cambiamenti climatici in atto a livello regionale;
  • proporre soluzioni di blu economy per un futuro sostenibile.

Inoltre, la Conferenza di Napoli, si distingue per proporre la designazione di tutto il Mediterraneo come area a emissioni controllate di ossidi di zolfo (zona ECA). Nel Mediterraneo sono presenti in questo momento oltre 60000 pescherecci di cui il 75% con più venticinque anni, i quali inquinano di più rispetto a quelli attuali. È possibile che le navi possano rispettare i limiti di riduzione delle emissioni imposti dalle normative IMO entro il 2030 e che sia raggiunta la neutralità climatica, obiettivo del Green Deal Europeo, entro il 2050? Ciò è possibile mediante modifiche alle navi esistenti in modo da renderle più efficienti e tramite una nuova generazione di navi a minori emissioni.

Al fine di raggiungere gli obiettivi dell’IMO, è essenziale che l’adozione delle tecnologie a basse e a zero emissioni inizi sulle grandi navi che utilizzano ancora carburanti tradizionali. La flotta mondiale è quasi interamente propulsa da motori diesel alimentati a olio pesante, principalmente Heavy Fuel Oil (HFO) caratterizzato da un alto contenuto di zolfo. A oggi, l’unica scelta rilevante per l’industria navale è l’uso di metano liquido (Liquid Natural Gas – LNG) o compresso (Compressed Natural Gas – CNG). L’impegno dell’IMO di ridurre le emissioni di CO2 entro il 2050 e le norme su altri inquinanti come lo zolfo richiedono una valida alternativa ai combustibili tradizionali. Tra i carburanti alternativi vi sono il gas naturale liquefatto, il metanolo, i biocarburanti e l’idrogeno. Tra tutti, l’idrogeno rappresenta il vettore energetico di gran lunga più promettente, nonostante il suo utilizzo a bordo richieda elevate capacità di stoccaggio. Le correnti difficoltà riguardanti le navi a propulsione a idrogeno nascono soprattutto dall’assenza di regole specifiche che devono essere ancora redatte.

Fino a oggi questi combustibili non sono stati utilizzati per via di alcune problematiche come la disponibilità green, la sicurezza, l’impatto sulla salute sull’ambiente, i costi elevati, le normative mancanti, la percezione sociale del pericolo di questi nuovi vettori combustibili che deve essere diffusa.

I combustibili da soli però non possono essere la soluzione perché per il trasporto marittimo uno dei parametri più importanti è l’energia per unità di volume, l’ammoniaca e l’idrogeno hanno un’energia per unità di volume stoccato molto bassa, ciò significa che ci vuole più spazio a bordo per utilizzare questo tipo di combustibile. Servono dunque modalità operative diverse per l’utilizzo di questi carburanti: ci vorranno anche serbatoi diversi da quelli attuali, stazioni di preparazione all’uso del combustibile, diversa modalità di bunkeraggio, i motori a combustione interna dovranno essere riadattati oppure si dovrà passare all’uso di fuel cell.

L’idrogeno elemento chiave della transizione energetica

L’idrogeno si è ora affermato come elemento chiave per la transizione energetica, ed è al centro delle agen­de politiche e delle strategie energe­tiche di numerosi Paesi e della Unione Europea. L’attenzione verso l’idrogeno come vettore energetico è da sempre dovuta ad alcune sue interessanti caratteristi­che: è leggero, 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”. Il problema è 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; l’idrogeno “verde” è prodotto mediante elettrolisi dell’acqua usando energia elettrica prodotta da una centrale alimentata da energie rinnovabili (idroelettrica, solare o fotovoltaica). L’idrogeno “viola” e l’idrogeno “verde” sono idrogeno de-carbonizzato al 100% poiché per la produzione non è immessa in atmosfera alcuna quantità di anidride carbonica.

Adesso 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. Secondo uno studio SNAM-Mckinsey l’idrogeno potrebbe arrivare a fornire quasi un quarto della domanda nazionale di energia entro il 2050, in uno scenario di decarbonizzazione al 95%. 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 contestuale 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”.

L’interesse verso l’idrogeno è sempre crescente principalmente nel settore marittimo in cui l’elettrificazione, specialmente di navi di medie e grandi dimensioni, è difficile. 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). In Italia, l’idrogeno ha grandi prospettive di sviluppo, ci sono oltre 34000 km di gasdotti esistenti per la trasmissione e oltre 250000 km di gasdotti esistenti per la distribuzione. L’idrogeno, come tutti i gas, ha facilità di trasporto e stoccaggio a basso costo, e può essere trasportato attraverso le infrastrutture esistenti.

Nel 2020 è stata presentata la strategia europea dell’idrogeno costituita da più fasi:

  • tra il 2020 e il 2024 ci saranno l’installazione di almeno 6 GW di elettrolizzatori per l’idrogeno rinnovabile nell’UE e la produzione fino a un milione di tonnellate di idrogeno rinnovabile;
  • tra il 2025 e il 2030 l’idrogeno dovrà entrare a pieno titolo del nostro sistema energetico integrato, con almeno 40 GW di elettrolizzatori per l’idrogeno rinnovabile e la produzione fino a dieci milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile nell’UE;
  • tra il 2030 e il 2050 le tecnologie basate sull’idrogeno rinnovabile dovrebbero raggiungere la maturità e trovare applicazione su larga scala in tutti i settori difficili da decarbonizzare.

Il progetto TecBIA di Fincantieri

Fincantieri con il progetto di ricerca TecBIA (Tecnologie a Basso Impatto Ambientale per la produzione di energia su mezzi navali), co-finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico Italiano, vuole validare la tecnologia sostenibile delle fuel cell per le applicazioni navali mediante la realizzazione di un prototipo navale ZEUS (Zero Emission Ultimate Ship) a propulsione ibrida. Lo scenario di riferimento comune della ricerca riguarda il miglioramento del livello di sostenibilità ambientale delle navi mercantili e da crociera, attraverso la riduzione delle emissioni di gas serra, ossidi di azoto, ossidi di zolfo e particolato. Lunga circa 25 metri e con un peso di circa 170 tonnellate, ZEUS funge da laboratorio galleggiante sul mare per studiare le celle a combustibile che convertono l’energia chimica dell’idrogeno direttamente in elettricità senza combustione termica. La nave ZEUS è dotata di un sistema fuel cell da 144 kW alimentato da circa 50 kg di idrogeno contenuto in 48 bombole di idruri metallici, e di un sistema con batteria al litio. Tale configurazione consente alla nave di navigare per 8 ore a 7,5 nodi in modalità zero emissioni oppure 4 ore a una velocità di 4 nodi in modalità zero rumore.

Uno dei problemi che, se non risolto, potrebbe comportare dei ritardi in tutta la filiera dell’idrogeno, è legato alla mancanza di un quadro legislativo chiaro. Attualmente non esiste un regolamento riconosciuto a livello internazionale (in ambito IMO) per l’uso dell’idrogeno come combustibile a bordo d’imbarcazioni navali, di conseguenza sono utilizzate come riferimento le normative esistenti per i gas combustibili con densità minore di quella dell’aria, tipicamente il gas naturale (es. IGF Code). La principale attività di ENR all’interno del progetto TecBIA, consiste nel redigere, in conformità alle procedure consolidate a livello internazionale, i regolamenti per l’utilizzo dell’idrogeno come combustibile a bordo d’imbarcazioni navali, sulla base dell’esperienza acquisita e delle valutazioni fatte nel progetto. Laddove la normativa è risultata carente, sono stati evidenziati i gap legislativi da colmare in modo da facilitare e velocizzare la redazione di normative specifiche per i nuovi combustibili e le nuove tecnologie. La stesura di un’opportuna normativa di sicurezza, con i requisiti che tali tipologie di navi devono possedere per garantire la navigazione sicura per l’ambiente e per l’equipaggio, rappresenterà un elemento fondamentale per favorire la diffusione dell’idrogeno come combustibile. È fondamentale pertanto l’individuazione del quadro normativo che la nave deve rispettare e per la verifica delle soluzioni progettuali che al momento si attengono alle regole in vigore. Per ora non c’è ancora un documento di riferimento stabile per quanto riguarda l’uso dell’idrogeno a bordo delle navi, quindi bisogna stendere degli standard di riferimento basati sulle conoscenze attuali e sull’analisi di rischio che permettano l’uso di tale tecnologia.

Conclusioni

Il trend delle richieste di navi ecosostenibili è in continua crescita: la sensibilità nei confronti dell’ambiente e delle aree marine protette porta tutti i cantieri europei a investire nella ricerca al fine di poter realizzare navi a emissioni controllate. L’impegno di ridurre le emissioni di CO2 entro il 2050 e le norme sui vari inquinanti richiedono una valida alternativa ai combustibili tradizionali. Le problematiche normative attuali possono essere affrontate facendo incontrare le esigenze dei pescatori, del mercato, della produzione e le esigenze ambientali. Tutte queste potrebbero portare alla realizzazione di un progetto di un mezzo che soddisfi le caratteristiche di inquinamento, di sicurezza, di economia di esercizio e di efficacia di pesca. Tale progetto deve essere soprattutto integrato con la parte normativa al fine di ottenere un’attività più efficace, più economica e più sostenibile per la pesca del Mediterraneo.

Bibliografia

DNV-GL, Alternative fuels for shipping, DNV GL strategic research and innovation position paper, 2014.

ENEA, I “colori” dell’idrogeno nella transizione energetica, Energia, ambiente e innovazione, 2, 2020.

IMO, Third IMO Green Houses Gas Study 2014, Executive Summary, 2015.

SNAM, The Hydrogen Challenge: The potential of hydrogen in Italy, 2019.

Sofiev, M., et al., Cleaner fuels for ships provide public health benefits with climate tradeoffs, Nature Communications, Vol. 9, 2018.

Zerboni, G., Idrogeno: l’energia futura passa di qui?, AIDIC news, Anno XXIV, n.4, ottobre/dicembre 2020.

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