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Conoscere l’idrogeno per… sdoganarlo

città: Milano - pubblicato il:
idrogeno celle a combustibile

Idrogeno. È venuto il momento di sdoganarlo e farne un fonte energetica sostenibile anche in Italia? Probabilmente sì anche perché ci sono molti presupposti che lo fanno pensare. A patto che si capisca però bene che deve essere prodotto, in primis, utilizzando le fonti rinnovabili (non il carbone).

Per capirne di più abbiamo interpellato Giulia Monteleone, ricercatrice all’Enea di Casaccia, alla quale abbiamo chiesto risposte che facciano capire a tutti di cosa esattamente stiamo parlando. Ecco, un lungo colloquio con la ricercatrice.

Idrogeno: energia pulita per tutti

Partiamo dal presupposto che l’idrogeno è un vettore energetico e non è una fonte di energia, come lo sono invece il sole, il vento o la biomassa.

La fonte di energia è utilizzabile nel momento stesso in cui viene prodotta. Mentre il vettore energetico è un mezzo, un composto che veicola l’energia da una forma a un’altra. Nel caso specifico dell’idrogeno, esso, non essendo presente sulla Terra in forma molecolare, deve essere prodotto da una forma di energia precedente.

A oggi il 96% dell’idrogeno prodotto nel mondo proviene da fonti fossili attraverso il reforming degli idrocarburi, ed è utilizzato principalmente nei processi industriali chimici e di raffinazione delle benzine. Questo idrogeno non può in nessun modo essere considerato rinnovabile e la sua produzione comporta l’emissione in atmosfera di grosse quantità di anidride carbonica (CO2).

Esiste un secondo processo per la produzione di idrogeno, attraverso l’elettrolisi dell’acqua, ossia la scissione della molecola d’acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2), quindi senza emissione di CO2 in atmosfera. Questo processo avviene attraverso il consumo di energia elettrica.

È un processo fino a oggi molto meno diffuso, perché molto più costoso ed è utilizzato principalmente per applicazioni di nicchia, quale il trattamento dei metalli preziosi.

L’idrogeno prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua può non essere rinnovabile se l’energia elettrica utilizzata viene prodotta per via tradizionale termica, ma diviene un idrogeno rinnovabile, quando l’energia elettrica per produrlo proviene da fonte rinnovabile (eolico, fotovoltaico, idroelettrico).

L’utilizzo del vettore idrogeno (indipendentemente dal fatto che esso sia prodotto da fonte fossile o rinnovabile), porterebbe comunque il vantaggio della riduzione delle emissioni distribuite di CO2, grazie al fatto che la sua molecola H2 è priva di carbonio, per cui, sia la sua combustione che il suo utilizzo in una cella a combustibile, non sono accompagnati da produzione di anidride carbonica.

Dunque, cosa ha rallentato l’utilizzo dell’idrogeno fino a oggi? Proprio il fatto che per produrlo in maniera economicamente conveniente fosse necessario ricorrere ai combustibili fossili, o per produrlo in maniera più green bisognasse ricorrere al processo di elettrolisi, con costi però non competitivi per favorirne una larga diffusione (costi del processo largamente influenzati dal costo dell’energia elettrica).

Cosa sta cambiando ora?

Oggi, grazie all’enorme crescita di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile (in Italia la capacità eolica e solare istallata dal 2008 al 2018 è salita di + 25 GW), l’orizzonte di un idrogeno rinnovabile, a costi competitivi, risulta più vicino.

L’obiettivo è quello di sfruttare il surplus di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile che, nelle ore centrali, nelle giornate assolate, non riesce a essere assorbito dalla attuale rete elettrica, e andrebbe gettato via.

Questo surplus di energia elettrica può alimentare gli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno, il processo che parte dalla scissione della molecola dell’acqua.

In questo contesto l’idrogeno si candida anche per fornire un servizio alla rete elettrica, ossia la sua produzione interviene ogni volta che ci sono picchi di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile che altrimenti causerebbero problemi di intasamento sulla rete stessa.

A questo punto si aprono una miriade di questioni: quanto costa l’idrogeno così prodotto? Come si può utilizzare questo idrogeno? Come si deve trasportarlo? Come conservarlo? I punti da risolvere sono ancora molti e la ricerca italiana, europea e internazionale sta andando proprio in questa direzione.

Stato dell’arte della ricerca italiana: su cosa si stanno massimamente concentrando le ricerche?

Prendiamo come documento di riferimento la SEN 2017 (Strategia Energetica Nazionale), presentata e firmata dai Ministri Calenda e Galletti nel novembre 2017. Tale documento di programmazione dovrebbe dettare i passi italiani da compiere da qui al 2030 per raggiungere gli obiettivi europei di decarbonizzazione energetica.

Ebbene, all’interno del documento la parola idrogeno compare una sola volta (tra l’altro in una nota al margine del documento). Diverso, fortunatamente, è l’approccio di programmi e strategie internazionali.

Una tra tutte Mission Innovation, che include 22 nazioni del Mondo (cui si è aggiunta la Commissione Europea) e ha l’obiettivo di promuovere l’accelerazione dell’innovazione tecnologica a supporto della transizione energetica attraverso un aumento significativo di fondi pubblici dedicati alla ricerca.

All’interno del programma sono state avviate 8 sfide tecnologiche chiave, sulle quali verranno attivate collaborazioni tra i vari Paesi; tra queste compare anche quella sull’idrogeno. L’Italia nel corso della COP21 di Parigi ha aderito all’iniziativa Mission Innovation.

In Europa il SET Plan (Strategic Energy Technology Plan) o la European Energy Research Alliance, sono iniziative che hanno come obiettivo quello di accelerare lo sviluppo di tecnologie energetiche per la decarbonizzazione. E ognuna di queste mantiene al suo interno traiettorie di ricerca specifiche per l’idrogeno.

Dunque, sebbene appoggiandosi a programmi non nazionali, anche l’Italia porta avanti la sua ricerca. Le aree in cui si può suddividere la ricerca sono principalmente tre: quella legata alla produzione dell’idrogeno, quella legata al suo utilizzo e quella legata al suo stoccaggio e trasporto.

Per ciò che riguarda la produzione oggi l’attenzione maggiore è rivolta alla tecnologia degli elettrolizzatori, perché, come si diceva prima, è attraverso il processo dell’elettrolisi che si può arrivare a un idrogeno rinnovabile.

Sebbene il processo sia noto e utilizzato sin dal 1890, e diverse siano le tecnologie oggi disponibili (elettrolisi alcalina, elettrolisi polimerica, elettrolisi ad alta temperatura), le sfide ancora aperte sono numerose: incremento dell’efficienza, resistenza alla corrosione, aumento della pressione di lavoro, incremento della flessibilità, riduzione dei costi di investimento.

Tutti requisiti necessari per l’integrazione di questa tecnologia con la rete elettrica e/o direttamente con i sistemi di generazione di energia elettrica da fonte rinnovabile.

Per quanto concerne il suo utilizzo, in ambito energetico, la tecnologia principe è quella delle celle a combustibile: sono generatori di energia che convertono direttamente l’energia chimica contenuta nel combustibile (idrogeno) in energia elettrica, senza passare attraverso la combustione.

Questo le rende più efficienti di un tradizionale motore termico e non inquinanti (non si generano i classici prodotti della combustione NOx, SOx e particolato e non si genera CO2). L’unico prodotto di scarto di una cella a combustibile è l’acqua. Sullo sviluppo delle celle a combustibile l’Italia è attiva sin dal 1990, sebbene l’industria nazionale sia piuttosto assente.

La tecnologia a oggi può considerarsi matura ed eventuali ulteriori sviluppi saranno possibili sono dopo una penetrazione significativa sul mercato della tecnologia stessa.

Anche di celle a combustibile, così come di elettrolizzatori, ne esistono di diverse tipologie, appartenenti a due grosse famiglie, l’alta temperatura e la bassa temperatura. La tecnologia su cui oggi la ricerca sta investendo di più è quella degli ossidi solidi (operante a temperature maggiori di 700°C) per la possibilità di operare la cella anche in modalità reversibile, ossia come elettrolizzatore.

A oggi, ovviamente, non esiste una rete gas per l’idrogeno, né avrebbe senso pensare di crearla fino a quando non fossero chiare le prospettive di utilizzo dell’idrogeno stesso. Nell’immediato dunque l’attenzione e dunque la ricerca è rivolta all’immissione di percentuali di idrogeno nella rete del gas naturale, rappresentando essa stessa un sistema di stoccaggio.

Quale area industriale sarà più portata a recepire le soluzioni a idrogeno (solo quella dei trasporti)?

Probabilmente il settore dei trasporti sarà quello che con maggiore difficoltà, e più in là nel tempo, adotterà l’idrogeno e le tecnologie a esso collegate, in sostituzione dei carburanti tradizionali. Teniamo presente che tutta l’infrastruttura, dalla rete di distribuzione alle stazioni di rifornimento, è oggi completamente inesistente.

Esiste poi un’industria che da sempre utilizza l’idrogeno per i suoi processi: l’industria chimica di base per la produzione per esempio di ammoniaca e metanolo, l’industria metallurgica per i trattamenti termici, l’industria alimentare per l’idrogenazione degli oli e dei grassi, per non parlare dell’industria petrolchimica per tutti i processi di raffinazione.

In tutti questi settori naturalmente esiste già un’infrastruttura, oltre a una pratica consolidata, per l’utilizzo dell’idrogeno. Naturalmente in tutti questi casi il passaggio a un idrogeno rinnovabile sarà possibile solo a seguito di una riduzione dei costi di produzione dell’idrogeno stesso (oggi il costo di idrogeno prodotto mediante elettrolisi si attesta intorno ai 10€/kg H2, contro i 2€/kg H2, con processo tradizionale di reforming del combustibile fossile).

I settori che probabilmente recepiranno per primi le soluzioni a idrogeno sono quelli legati alla distribuzione dell’energia elettrica e del gas naturale attraverso l’integrazione delle due reti (Power to Gas).

L’energia elettrica in eccesso, durante i picchi di produzione, viene trasformata in gas, stabilizzando al contempo la rete elettrica e conservando l’energia in eccesso (sotto forma di gas appunto) all’interno della rete del gas naturale già esistente. Oggi in Europa ci sono 153 impianti dimostrativi di Power to Gas, di questi più dell’80% realizzati a partire dal 2005 in avanti.

Lei come se lo immagina il futuro dell’idrogeno insomma?

Sebbene io mi sia occupata di idrogeno in quasi tutto il periodo della mia carriera di ricercatrice, non immagino un immediato futuro per l’idrogeno se non in nicchie di mercato, senza sostituirsi completamente ai combustibili fossili.

Con riferimento al settore del trasporto, che avrà sicuramente un ruolo chiave per il raggiungimento degli obiettivi europei di riduzione entro il 2030 delle emissioni climalteranti nell’UE del 40% rispetto ai livelli del 1990 e di incremento del target della quota FER sui consumi energetici, nel breve vedo la decarbonizzazione energetica affidata ai motori a metano (in quota parte di origine rinnovabile, il bio-metano) e ai veicoli elettrici, alimentati da fonte rinnovabile.

Per quanto riguarda i veicoli a idrogeno con celle a combustibile, è necessario precisare come anch’essi siano veicoli elettrici (con motore elettrico) con la differenza che l’alimentazione al motore è fornita dall’idrogeno piuttosto che da una batteria.

I veicoli con cella a combustibile sono i soli insieme a quelli elettrici a batteria a essere completamente zero-emission (cosa che non sono le auto ibride o a metano). Ciò nonostante immagino una loro diffusione (quantomeno iniziale) solo nel trasporto pubblico: non dobbiamo dimenticarci che oggi l’Italia non è dotata di una rete di distribuzione dell’idrogeno, né è possibile immaginare distributori dislocati a distanza di pochi metri uno dall’altro, ognuno con un suo impianto di produzione di idrogeno.

Vedo molto più realistica invece una produzione di idrogeno centralizzata, per esempio nel deposito di mezzi pubblici, dove tutti i mezzi si riforniscono prima di partire per il servizio, con autonomia sicuramente molto superiore rispetto a quella di un mezzo a batterie.

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