Idrogeno: è davvero la rivoluzione green per l'industria e la mobilità sostenibile ?

I piani energetici messi a punto a livello globale puntano su due fonti, decisamente opposte, per svoltare nella lotta al cambiamento climatico: nucleare (di quarta generazione) e idrogeno green. L'Europa (e l'Italia) puntano sulla seconda. Hanno ragione ? a che punto siamo ?

Anche in Italia i treni ad idrogeno

In questi giorni è stata firmata da Giovanni Legnini, Commissario Straordinario alla ricostruzione post sisma 2016, l'ordinanza con cui si da il via libera per il treno a idrogeno, a zero impatto ambientale, nella tratta tra Terni, Rieti, L’Aquila e Sulmona, nel cuore dell’Appennino colpito dai terremoti del 2009 e del 2016.

Il progetto prevede anche la realizzazione di tre impianti in Lazio, Umbria e Abruzzo per la produzione di idrogeno “green” destinato al treno, ma anche all’alimentazione del trasporto locale ed extraurbano su gomma, fondi per la progettazione e per l’acquisto del materiale rotabile.

Il finanziamento delle attività arriva anche dal MIMS, grazie all’intesa con il ministro Enrico Giovannini, che ha sostenuto il progetto, insieme a Rete Ferroviaria Italiana, Rfi sia per l’impatto positivo sull’ambiente, che per la riduzione dei tempi di intervento per il miglioramento della tratta, che avrebbe dovuto essere elettrificata.

"I treni a idrogeno non sono più fantascienza e," – aveva assicurato il ministro Enrico Giovannini in una intervista a “Green&Blue” dopo il COP26 -, "il salto si può fare. Presto. In Germania ci sono già e noi stiamo testando ciò che altri stanno facendo”.

"Un treno a idrogeno collegherà i borghi del centro Italia"

Ma la domanda a cui ci proponiamo di rispondere con questo articolo è: si sta compiendo una scelta giusta? Ovvero, l'idrogeno rappresenta davvero la soluzione che potrà consentire di svoltare nell'ineludibile lotta al cambiamento climatico.

Di certo è quella più concreta.

In questo breve articolo - non per esperti, ma per chi vive con attenzione questo cambiamento - ho cercato di fare il punto sulla situazione Idrogeno.

Ma l’idrogeno è davvero una soluzione green ?

L’idrogeno nella sua forma molecolare, H2, è l’elemento chimico più abbondante nell’universo e, nella sua forma molecolare, è un magnifico combustibile perché produce energia ottenendo come scarto solo innocuo vapore acqueo: teoricamente è quindi il produttore di energia ideale: abbondante e pulito. Ripetiamo quindi la domanda: l’idrogeno è davvero una soluzione green ?

Si, l’idrogeno lo può essere, soprattutto in Europa.

Perchè ? Perchè l’idrogeno prodotto utilizzando l'elettricità generata dall'energia eolica o solare potrebbe fornire una fonte di energia pulita e a zero emissioni di carbonio.

E in questo l'Europa è all'avanguardia.

L'idrogeno è un combustibile che attrae l’attenzione di tutti coloro che puntano a uno sviluppo green.

Treni ad idrogeno, auto ad idrogeno, cementerie ad idrogeno … . Un chilogrammo di idrogeno ha circa tre volte più energia di una quantità paragonabile di diesel o benzina. E se può essere realizzato in modo pulito ed economico, potrebbe essere la chiave per ripulire una serie di settori vitali difficili.

Oggi, la maggior parte dell'idrogeno prodotto viene prodotto combinando il gas naturale con il vapore ad alte temperature. Si tratta di un processo ad alta intensità energetica che emette quantità considerevoli di anidride carbonica, il principale gas serra che guida il cambiamento climatico. 

Ma è possibile produrlo anche in modo green, ovvero sostenibile.

GIà oggi, infatti una piccola ma crescente percentuale di idrogeno viene prodotta suddividendo l'acqua nei suoi elementi costitutivi mediante elettrolisi elettrica, un processo che richiede molta energia, ma se questa proviene da una fonte rinnovabile come l'energia eolica o solare, allora il processo, nel suo complesso, riduce al massimo le sue emissioni nocive.

E’ un problema di soldi ? per ora sì.

Produrre idrogeno “sostenibile” è oggi circa tre volte più costoso da produrre rispetto all'idrogeno derivato dal gas naturale (che è principalmente metano, le cui molecole sono composte da un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno).

Ecco dunque qual’è il problema principale dell'idrogeno  da risolvere.

Ma l’evoluzione dei processi sia tecnologici che di mercato potrebbe cambiare in tempi brevi la situazione.

Innanzitutto perchè il costo dell'energia eolica e solare continua a diminuire, e la costruzione di questa tipologia di impianti è in forte crescita. E questa disponibilità sempre maggiore di energie pulite, ma che hanno un problema di «conservazione» e «discontinuità» potrebbe generare una economia di scala intorno alla produzione di idrogeno verde al punto dal farlo diventare molto più economico.

Anche perchè ’idrogeno è un combustibile e, al pari di tutti i combustibili, porta con sé un enorme vantaggio: può essere conservato per quanto si vuole ed essere utilizzato quando e dove si vuole.

Il valore dell'idrogeno

L'idrogeno è prezioso perchè può essere utilizzato come sostituto di combustibili fossili come carbone, petrolio e gas naturale, che sono combustibili che producono tutti anidride carbonica quando vengono bruciati, perchè esso invece produce solo vapore acqueo. Un processo però non del tutto indolore per l’ambiente: durante la sua combustione infatti catalizza anche la produzione di ossidi di azoto dannosi a causa delle alte temperature coinvolte. 

Esiste però anche un altro modo per utilizzare l’idrogeno: nelle celle a combustibile, che combinano l'idrogeno con l'ossigeno per creare acqua ed elettricità, il contrario dell'elettrolisi, senza produrre ossidi di azoto.

Ecco quindi perchè l'idrogeno può alimentare veicoli tra cui automobili, autobus, treni e aerei, tramite celle a combustibile o bruciandolo direttamente. 

Inoltre, proprio per quanto affermato prima, la combustione dell'idrogeno può anche fornire calore a zero emissioni di carbonio da utilizzare in acciaierie, cementifici e altre industrie. E l'idrogeno verde può sostituire l'idrogeno già utilizzato come materia prima in qualsiasi cosa, dalle raffinerie agli impianti di fertilizzazione, riducendo le emissioni di anidride carbonica. Alcuni siti industriali, come acciaierie e impianti chimici, possono anche utilizzare l'ossigeno prodotto come sottoprodotto.

Il problema del trasporto dell'Idrogeno

A prescindere da come venga prodotto, lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno in modo sicuro e conveniente rimane oggi ancora difficile e costoso. 

Una possibile via è quella della liquefazione, ossia quella del trasporto di idrogeno liquido. L’idrogeno bolle a – 253 °C. Quindi la sua liquefazione e, soprattutto, il mantenimento di temperature così basse non è un processo facile e richiede molta energia. L’indubbio vantaggio è che, rispetto all’idrogeno gassoso, quello liquido è più facile da trasportare su strada, rotaia o mare. 

Per questo motivo si stanno studiando soluzioni, anche in scala reale: in Giappone per esempio con una nave cargo per trasporto di idrogeno liquido. I costi del processo di liquefazione e del suo mantenimento sono ancora molto alti. Ma esistono progetti della Ue che coinvolgono enti di ricerca e industrie, volti a realizzare la produzione economicamente sostenibile di idrogeno liquido su larga scala.

Oppure si potrebbe procedere per via gassosa, tramite quindi l’uso dei gasdotti, che consentono il trasporto di gas su lunghe distanze a livello di interi continenti. Qui si hanno due alternative: in miscela con gas naturale usando la rete esistente o tramite la costruzione una rete dedicata. Nel primo caso sarà necessario sviluppare sistemi a basso costo di separazione dei due gas al punto di utilizzo finale, nel secondo caso sviluppare nuove reti. In Europa si sta lavorando alla realizzazione della dorsale della rete di distribuzione dell’idrogeno “EuropeanHydrogenBackbone” con il coinvolgimento dei principali gestori europei nel trasporto e stoccaggio di gas (SNAM per l’Italia) per un totale di oltre 20.000 km. 

Si stanno studiando anche altre vie. Per esempio combinandolo chimicamente in altri composti più facili da trasportar, oppure intrappolandolo senza trasformarlo chimicamente in materiali di ultima generazione che siano anch’esse sicure e facili da trasportare, e che siano in grado di rilasciare in maniera controllata il gas solo quando serve.

Quali le prospettive per l'idrogeno

L'Agenzia internazionale per l'energia (IEA) prevede che entro il 2050 l'idrogeno potrebbe fornire oltre il 10% del fabbisogno energetico globale, producendo più di 11 milioni di gigawattora di energia all'anno.

Ciò richiederà più di $ 4 trilioni di infrastrutture per la produzione, lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno.

La sola Europa sta puntando a 40 gigawatt di capacità di elettrolisi entro il 2030, circa il 2% della strada per la previsione dell'AIE per il 2050.

Nel frattempo ci sono tanti settori industriali e della mobilità che stanno puntando sull'idrogeno, o stanno avviando le prime sperimentazioni. Vediamone alcune.

Con HydroFLEX si procede alla decarbonizzazione delle linee ferroviarie britanniche

Il Regno Unito sta accelerando sull’idrogeno e sulla rete ferroviaria britannica ha già testato il primo treno alimentato ad idrogeno, l’HydroFLEX, progettato e realizzato da un team di ricercatori dell’Università di Birmingham, a cui si sono uniti ingegneri della Porterbrook, azienda produttrice di materiale rotabile. Il treno è alimentato da celle combustibili (fuel cell), o pile a combustibile, in cui si combina idrogeno e ossigeno per generare elettricità, calore e acqua, ma senza combustione termica, quindi senza emissioni inquinanti.

Le celle sono sistemate all’interno di kit sperimentali integrati in ogni carrozza, in cui sono disposte anche le batterie agli ioni di litio per l’accumulo di energia elettrica. Il progetto prevede anche la sistemazione di questi kit sotto il pavimento dei vagoni, per recuperare ulteriore spazio da destinare ai passeggeri in cabina. L’iniziativa è stata finanziata complessivamente con 1,75 milioni di sterline, con un contributo pubblico di circa il 40% delle risorse.

Nel frattempo, sempre in UK, con ZeroAvia, è stato già condotto nel 2020  il primo volo elettrico di un aereo su scala commerciale effettuato nel Regno Unito. ZeroAvia si concentra sullo sviluppo di un propulsore a celle a combustibile a idrogeno. L'elettricità a idrogeno offre lo stesso potenziale a emissioni zero dell'elettricità a batteria, ma ha un rapporto energia-peso molto più promettente, che la rende praticabile per operazioni commerciali su scala molto più ampia e in un lasso di tempo più breve. Inoltre, si prevede che il gruppo propulsore idrogeno-elettrico avrà costi operativi inferiori a causa dell'alto costo del ciclo della batteria nei tipici velivoli regionali ad alto utilizzo.  Oltre a HyFlyer, ZeroAvia pianifica configurazioni di 10-20 posti certificate commercialmente rilevanti pronte entro tre anni e configurazioni di 50-100 posti in volo entro la fine del decennio. La società prevede che entro il 2040 sarà possibile raggiungere velivoli da oltre 200 posti con un'autonomia superiore a 3.000 miglia nautiche senza che siano necessarie scoperte scientifiche fondamentali.

Le Valli dell’idrogeno

In Germania stanno nascendo le prime «valli dell’idrogeno», dei progetti regionali che collocano gli impianti di elettrolisi dove possono servire a molteplici scopi industriali. Vicino ad Amburgo, nel nord della Germania, ThyssenKrupp fa parte di un consorzio di idrogeno verde da 89 milioni di euro (107 milioni di dollari) sostenuto da una sovvenzione di 30 milioni di euro dal governo tedesco. Il progetto pianificato comprende una raffineria, un cementificio, generatori di energia e un parco eolico offshore. Inizialmente il suo idrogeno verde sostituirà un po' di idrogeno grigio, come a volte viene chiamato l'idrogeno derivato dal gas naturale, utilizzato nella raffineria. Il gruppo tedesco prevede quindi di far reagire l'idrogeno con l'anidride carbonica catturata dal cementificio per produrre sia metanolo, una materia prima chimica, sia carburante sintetico per jet.

A circa 240 chilometri (150 miglia) a sud-ovest, un altro consorzio di idrogeno verde riutilizzerà i gasdotti dismessi per trasportare il gas idrogeno. Il consorzio prevede di costruire un elettrolizzatore da 100 megawatt. Da lì, spera di convogliare l'idrogeno attraverso una rete di 130 chilometri nella regione industriale della Ruhr. Se questo riutilizzo del gasdotto funziona, gli elettrolizzatori collegati ai vecchi tubi potrebbero in definitiva servire l'idrogeno verde a quasi tutte le principali industrie tedesche. Ciò allevierà la pressione sulla rete elettrica congestionata della Germania e fornirà anche una pronta fornitura di energia di riserva per i periodi bui e senza vento.

Auto ad Idrogeno

La Toyota è l’azienda automobilistica che ha maggiormente puntato sull’idrogeno ed è già arrivata alla seconda generazione della Toyota Mirai, nella quale l’idrogeno stivato in tre serbatoi ad alta pressione, viene inviato alla fuel cell di bordo, dove si combina con l'ossigeno presente nell’aria, per generare la corrente necessaria ad alimentare il motore elettrico che muove la vettura. E Toyota punta sull’idrogeno non solo sulle architetture fuel cell. Il costruttore giapponese, infatti, ha avviato lo sviluppo di un motore a tre cilindri che, pur funzionando con le stesse logiche di un benzina, è alimentato con questo gas. La Casa nipponica punta a sfruttare le condizioni estreme degli sport motoristici per affinare il suo progetto e rafforzare così le sue strategie per una mobilità sostenibile, già oggi caratterizzate da un forte impegno sull’idrogeno ma con una diversa soluzione tecnologica.

Acciaio dall'idrogeno

In Austria il colosso giapponese Mitsubishi Heavy Industries sta realizzando la più grande acciaieria a emissioni zero del mondo,  in quanto utilizzerà l’idrogeno al posto del carbone. Il complesso siderurgico, di proprietà della Voestalpine, utilizzerà l’idrogeno al posto del carbone nel processo di riduzione del minerale di ferro, con una produzione di 250mila tonnellate di acciaio “pulito” all’anno. Il gas sarà usato come combustibile per trasformare il minerale in ferro, eliminando l’ossigeno. È questa infatti la fase che produce più CO2 nella catena di produzione dell’acciaio. Il processo applicato dalla Voestalpine in Austria si chiama DRI, Directed Riduction Iron, e sostituisce i tradizionali altoforni. Gli impianti DRI costano la metà come investimento rispetto agli altoforni tradizionali, producono meno acciaio, ma sono più convenienti se il prezzo dell'idrogeno è basso. Va ricordato che l’industria siderurgica mondiale, che ha generato circa due miliardi di tonnellate di CO2 nel 2018, è responsabile di circa il 7% delle emissioni globali di CO2.  

I produttori di acciaio giapponesi, tra cui Nippon Steel, stanno sviluppando processi di questo tipo alimentati a idrogeno. La tedesca SMS, il principale fornitore mondiale di attrezzature per la produzione dell’acciaio, sta investendo su questo processo; l’italiana Danieli ha un accordo di collaborazione in esclusiva con Tenova per lo sviluppo e la commercializzazione di un’altra tecnologia a idrogeno denominata Energiron.

Tra i produttori, ArcelorMittal, con sede in Lussemburgo, prevede di costruire un impianto pilota tedesco per l’acciaio a idrogeno entro la fine di quest’anno. Concorrenti come la tedesca Thyssenkrupp e Salzgitter stanno investendo nel DRI. La Salzgitter Group ha commissionato a Tenova (società di costruzione impianti acciaio del gruppo Technint-Rocca) la realizzazione di un impianto dimostrativo basato sulla tecnologia Energiron.

Cemento dall’idrogeno

Anche per il cemento - altro prodotto realizzato in forni ad altissima temperatura - si sta studiando l’uso dell’idrogeno come comustibile. Un progetto dimostrativo sull'idrogeno rinnovabile (finanziato dall'UE pre-Brexit) è operativo presso una cementeria in Galles. La Hanson ha installato un'unità di generazione di idrogeno rinnovabile in una delle sue strutture vicino a Swansea, lo stabilimento di Port Talbot.

L'unità è stata installata a Port Talbot, presso l'impianto di loppa d’altoforno: l'impianto contiene un elettrolizzatore che, alimentato da elettricità rinnovabile generata da pannelli solari ed eolici in loco, divide l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno separato viene quindi incanalato nel bruciatore utilizzato per generare calore per i processi dell'impianto, attenuando, non sostituendo, l'uso di gas naturale.

Ceramica all’idrogeno

Quest’anno Iris Ceramica Group e Snam hanno sottoscritto un protocollo d’intesa per un progetto industriale che prevede lo studio e lo sviluppo della prima fabbrica ceramica al mondo alimentata ad idrogeno verde.

Il nuovo stabilimento di Iris Ceramica Group che verrà realizzato a Castellarano (RE) sarà dotato entro il 2022 di tecnologie native che consentiranno di utilizzare come fonte energetica l’idrogeno verde. 

Il progetto industriale è stato annunciato mercoledì 29 settembre a Milano nel corso dell’evento internazionale “The H2 Road to Net Zero”, organizzato da Bloomberg in collaborazione con Snam e IRENA in occasione dei lavori della pre-COP 26.  La soluzione messa a punto da Iris Ceramica Group con il supporto di Snam consentirà da subito alla fabbrica di Castellarano di realizzare superfici ceramiche nate da un blend di idrogeno verde, prodotto grazie all’energia solare, e di gas naturale.

Sul tetto dello stabilimento verrà infatti installato un impianto fotovoltaico (con una potenza di 2,5 MW) che sarà abbinato a un elettrolizzatore e a un sistema di stoccaggio dell’idrogeno rinnovabile prodotto in loco.

La soluzione di utilizzare un blend di idrogeno verde e gas naturale permetterà nell’immediato di abbattere le emissioni di CO2 e aprirà la strada, nel lungo termine, all’utilizzo esclusivo di energia rinnovabile per una produzione a zero emissioni, essendo l’impianto progettato per funzionare al 100% ad idrogeno. 

Importante, anzi fondamentale, il ruolo della politica

Se l'idrogeno vuole essere all'altezza del suo potenziale, la politica pubblica sarà cruciale. 

Per cominciare, i regolatori o i legislatori dovranno istituire politiche per consentire ai gasdotti esistenti di trasportare anche l'idrogeno - noto come "miscelazione" - e imporre tagli alle emissioni di carbonio per generare la domanda di idrogeno.

Sempre in Germania, il governo federale ha liberato i produttori di idrogeno verde dal pagamento di determinati supplementi sull’elettricità, riconoscendo che l'idrogeno verde è un'estensione dell'energia eolica e solare rinnovabile.

Come ho osservato all'inizio, la conversione all'idrogeno richiederà investimenti di miliardi di euro/dollari.

Questi investimenti potranno essere un domani fondamentali per quanto riguarda la sostenibilità sociale ed economica - ancor prima che ambientale - di molti Paesi e territori.

Nei Paesi in cui si saranno fatti gli investimenti migliori avremo nei tempi più brevi le conversioni industriali e sulla mobilità più diffuse, questo porterà a migliori impatti sulla CO2, quindi a dover sostenere minori costi di acquisto di quote (o di compensazioni), una maggiore forza a livello internazionale, a minori costi sociali per la sanità, alla creazione di una economia di scala che renderà più economiche queste fonti rispetto ad altri paesi, e una minore dipendenza da parte dei paesi produttori di comustibili fossili. Rendendo l'industria più forte questi paesi potranno aumentare la propria capacità produttiva, e commerciale (non dovendo pagare le carbon tax in fase di esportazione), e diventeranno più indipendenti dal punto di vista della produzione di materiali di base (chimica, acciaio, cemento ...) e semilavorati.

Questi saranno dunque i Paesi ricchi del futuro, coloro che hanno saputo indirizzare i propri investimenti verso una trasformazione energetica green radicale.

Ovviamente, chi avrà continuato a investire solo su bonus congiunturali, chi avrà continuato a valutare il posizionamento degli impianti rinnovabili sulla base di logiche territoriali NIMBY, chi avrà investito in infrastrutture utili solo a chi le costruisce, chi avrà penalizzato le proprie industrie invece che sostenerle nella trasformazione, chi avrà puntato su sostenibilità stile monopattino elettrico, chi avrà sprecato soldi in banchi con le ruote (ed aule con finestre aperte in pieno inverno), ovvero chi avrà basato le sue scelte solo sul consenso elettorale a breve raggio ... rappresenterà il quarto mondo della nuova era sostenibile.

Fonti:

• MITtechnologyreview.com
• key4biz.it
• vaielettrico.it
• zeroavia.com
• riusa.eu
• granitifiandre.it
• ilsole24ore
• dday.it