Caldaie a idrogeno: tecnologia “hydrogen ready” e scenari per l’edilizia

Dell’idrogeno come vettore energetico ad altissimo potenziale se ne parla da decenni, tantissime le sperimentazioni in vari settori, sempre frenate dai limiti di stoccaggio e trasporto in sicurezza.

Avrà finalmente un futuro nel settore dell’edilizia? Cerchiamo di analizzarne i pro e i contro.

Il ruolo del gas nella decarbonizzazione del settore residenziale

Il sistema energetico italiano è ancora fortemente incentrato sul gas naturale, con circa il 43% dei consumi totali (25 miliardi di m³ annui, dati 2022) destinato al settore domestico e residenziale. Questo si basa su una rete capillare di oltre 300.000 km, che raggiunge l'82% delle abitazioni.

Tuttavia, il percorso di decarbonizzazione in Italia è complesso, a causa di un parco immobiliare datato e inefficiente (60% degli edifici costruiti prima del 1977, con il 75,4% nelle classi energetiche E, F, G). Per una transizione efficace, è essenziale un approccio pragmatico e multi-energetico che consideri la capacità di spesa dei cittadini. Le politiche devono promuovere la neutralità tecnologica, consentendo l'uso di tutte le soluzioni a basso impatto ambientale, e garantire la sicurezza e resilienza del sistema attraverso la coesistenza di diverse fonti energetiche. È fondamentale anche un'attenta analisi costi/benefici e il coinvolgimento del consumatore, offrendo soluzioni diversificate.

In questo contesto, l'immissione graduale di gas rinnovabili in miscela, in particolare dell'idrogeno rinnovabile, nelle reti residenziali esistenti, emerge come una soluzione chiave. L'idrogeno può abbattere significativamente le emissioni con adeguamenti mirati, offrendo una soluzione accessibile e rafforzando la stabilità del sistema.

Per integrare l'idrogeno, è cruciale investire nell'innovazione tecnologica delle reti di distribuzione, in particolare nella digitalizzazione di asset e processi. La digitalizzazione è un pilastro della trasformazione energetica, aumentando efficienza, sicurezza e capacità di monitoraggio (anche delle emissioni fuggitive di metano). È precondizione per l'integrazione tra settore elettrico e gas (es. Power-to-Gas) ed è stata riconosciuta dalla Legge Concorrenza 2022 per favorire l'immissione di gas rinnovabili.

In sintesi, la digitalizzazione abilita una decarbonizzazione più rapida ed efficiente, garantendo sicurezza energetica e alta efficienza operativa a costi contenuti per l'utente (si stima un impatto inferiore all'1% sulla bolletta). Questo impone un'evoluzione del ruolo dei distributori di gas, con la necessità di aggregare gli operatori minori per affrontare le sfide tecniche ed economiche del settore. La questione è attenzionata dalle istituzioni, con possibili incentivi alle aggregazioni.

Le diverse modalità di produzione dell’idrogeno. Le sfide legate alla sicurezza, il trasporto e lo stoccaggio

Una delle peculiarità dell’idrogeno è la sua versatilità produttiva, potendo essere generato da diverse fonti energetiche primarie, dai combustibili fossili alle rinnovabili, dall’idroelettrico alle biomasse.

“Quando si parla di idrogeno nel contesto energetico si intende la molecola H₂ allo stato gassoso in condizioni ambiente e molto poco diffusa in atmosfera – sottolinea il prof. Vittorio Chiesa, Direttore dell’Energy & Strategy Gruppo del Politecnico di Milano e Coordinatore scientifico di MCE Mostra Convegno Expocomfort – La sua importanza risiede nella possibilità di produrre energia, termica mediante combustione, o elettrica mediante elettrolisi, in maniera pulita senza emissione di anidride carbonica. La difficoltà, invece, nel reperimento della molecola H₂ in natura. Questo significa che è necessario produrla consumando a sua volta energia e con un costo associato. Il bilancio tra le emissioni di CO₂ nella sua produzione e i costi complessivi per la sua generazione, trasporto e stoccaggio è alla base dell’intero ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica”.

Esistono diverse metodologie, classificate in base all’impatto ambientale e al costo. Ma le tre principali e più largamente utilizzate, sono le seguenti tre:

1. Idrogeno Grigio: È il tipo più comune, prodotto attraverso il processo di reforming del metano o del gas naturale (steam reforming). Questo processo, che avviene a temperature elevate (700-1.100 °C), implica la reazione tra metano e vapore acqueo. Sebbene efficiente su larga scala, comporta significative emissioni di anidride carbonica.
2. Idrogeno Blu: Si basa sullo stesso procedimento dell’idrogeno grigio, ma integra sistemi di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (CCUS), riducendo sensibilmente le emissioni associate alla produzione.
3. Idrogeno Verde: Questo tipo di idrogeno si ottiene mediante elettrolisi dell’acqua, un processo elettrochimico in cui il passaggio di corrente elettrica scompone l’acqua in ossigeno e idrogeno gassoso. È considerato a zero emissioni di CO₂ solo se l’elettricità utilizzata per l’elettrolisi proviene da fonti energetiche rinnovabili. Nonostante sia il metodo più auspicabile per la sua sostenibilità, attualmente risulta il più costoso. In alcuni contesti, come in Germania, viene impiegato per assorbire i picchi di produzione delle fonti rinnovabili, in particolare l’eolico.

La produzione diretta deriva quasi interamente da fonti fossili (99,3%). In particolare, oltre il 70% si riferisce a idrogeno grigio prodotto in larga parte nel processo di Steam Reforming, il 28% si riferisce a idrogeno marrone, prodotto dalla gassificazione del carbone.

La restante quota si suddivide tra idrogeno blu (0,6%) e idrogeno green (0,1%). Quello prodotto come scarto di altri processi risulta fortemente legato a fonti fossili e soltanto lo 0,5% può essere quindi considerato idrogeno green.

Le ricerche per le applicazioni nel settore edilizio si concentrano sullo sviluppare in particolare l’utilizzo dell’elettrolisi, anche per l’alimentazione di dispositivi come le Celle a Combustibile (Fuel Cells).

Queste ultime sono sistemi elettrochimici che, attualmente spesso alimentati a metano, ma già predisposti per vettori rinnovabili, generano energia elettrica in corrente continua, utilizzando l’idrogeno che reagisce con l’ossigeno dell’aria con efficienze che possono raggiungere il 60%. La diffusione di massa di questa tecnologia dipenderà significativamente dalla riduzione dei costi, rendendola economicamente comparabile alle caldaie a condensazione.

Il principale ostacolo tecnologico all’applicazione diffusa dell’idrogeno risiede nel suo stoccaggio e trasporto, processi che non sono a basso costo. L’idrogeno può essere conservato e trasportato in diverse forme:

1. Gas ad alta pressione: Richiede serbatoi specifici (350-700 bar) o bombole (250 bar). Il trasporto può avvenire attraverso nuovi idrogenodotti o gasdotti esistenti, come dimostrato da sperimentazioni dove l’idrogeno è stato miscelato al metano per la distribuzione (es. Snam a Contursi Terme, con miscele del 5-10%).
2. Liquido a bassa temperatura: Lo stoccaggio dell’idrogeno liquido (LH₂) avviene a temperature criogeniche (circa -252,8 °C) per evitarne l’ebollizione. Sebbene l’idrogeno liquido vanti una densità energetica maggiore rispetto al gas, i costi associati al mantenimento di tali temperature sono elevati.
3. Sotto forma di sostanze chimiche: L’idrogeno può essere legato in modo stabile ma reversibile all’interno di specifici materiali. Questo include metodi di adsorbimento (idrogeno sulla superficie), assorbimento (idrogeno all’interno del materiale) o stoccaggio in idruri metallici (combinazione di solidi e liquidi), come nel caso delle nanostrutture di carbonio.

Oltre allo stoccaggio, una proprietà chimica cruciale dell’idrogeno – che rappresenta anche una potenziale criticità per l’applicazione civile – è la sua elevata infiammabilità. L’idrogeno reagisce energicamente con tutti gli agenti ossidanti (ossigeno, cloro, protossido d’azoto), e queste reazioni sono accompagnate da un notevole sviluppo di calore.

Considerando che la climatizzazione domestica è responsabile di oltre il 17% delle emissioni di CO₂ in Italia (fonte ISPRA), la questione di come decarbonizzare efficacemente il riscaldamento e il raffrescamento delle nostre abitazioni, raggiungendo l’obiettivo di zero emissioni entro il 2050 in modo sicuro, economicamente sostenibile e strutturalmente fattibile, è di fondamentale importanza. Le strategie europee, come il piano REPowerEU e la Strategia UE per l’idrogeno (COM/2020/301), mirano proprio a sostenere la diffusione dell’idrogeno rinnovabile e a basse emissioni di carbonio per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili importati. L’idrogeno, oltre alla sua abbondanza, vanta una notevole efficienza energetica, con un potere calorifico doppio rispetto al metano, e una produzione di energia a zero emissioni di anidride carbonica, purché anche il processo di produzione dell’idrogeno stesso sia privo di emissioni.

Come funzionano le caldaie a idrogeno: caratteristiche tecniche

Le caldaie a idrogeno stanno emergendo come una delle soluzioni sicuramente più promettenti e innovative nel panorama del riscaldamento domestico, rappresentando una possibile via concreta per accelerare questo cruciale processo di decarbonizzazione, pur tenendo conto di ancora tutte le limitazioni tecnologiche accennate in apertura in materia di produzione, stoccaggio e distribuzione del gas idrogeno.

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A differenza delle tradizionali caldaie alimentate a metano, il loro principio operativo si basa sull’utilizzo dell’idrogeno come fonte energetica primaria per la produzione di calore.

Non solo: alcuni modelli avanzati sono progettati come sistemi di cogenerazione, capaci di generare simultaneamente sia energia termica per il riscaldamento che energia elettrica, ottimizzando ulteriormente l’efficienza complessiva.

Il cuore tecnologico di queste caldaie è un bruciatore catalitico che, attraverso un processo di ossidazione dell’idrogeno gassoso, innesca la reazione. Questo avviene grazie all’azione di un agente catalizzatore auto-innescante, eliminando la necessità di una scintilla o di energia elettrica esterna per l’accensione. L’idrogeno, combinandosi con l’ossigeno, rilascia energia termica. Un ulteriore elemento di efficienza è la possibilità di recuperare parte del vapore di scarto prodotto per riscaldare l’acqua sanitaria o per alimentare impianti di riscaldamento a bassa temperatura, come i sistemi a pavimento radiante. Le prestazioni termiche delle caldaie a idrogeno sono paragonabili a quelle dei modelli convenzionali, con potenze tipiche che variano tra 21 e 31 kW e temperature massime dell’acqua di riscaldamento fino a 80 °C e dell’acqua sanitaria fino a 55 °C. La loro progettazione le rende anche facilmente integrabili con altre fonti di energia rinnovabile, come i pannelli fotovoltaici, creando sistemi ibridi altamente sostenibili.

Oggi, la piena commercializzazione di caldaie alimentate al 100% con idrogeno puro è ancora in fase di ricerca e sviluppo avanzato.

Ciò è dovuto principalmente alla necessità di adeguare l’intera infrastruttura di distribuzione del gas, dato che le proprietà fisiche dell’idrogeno, diverse da quelle del gas naturale, richiederebbero un significativo ridimensionamento delle tubature per la sua immissione esclusiva.

Sistemi Hydrogen Ready: soluzione ponte per la transizione

Il presente e il futuro immediato sono quindi saldamente ancorati alle caldaie “Hydrogen Ready”. Questi apparecchi sono specificamente ingegnerizzati per operare in sicurezza con miscele di idrogeno e gas naturale, solitamente fino a una percentuale del 20% di idrogeno (es. caldaie “Hydrogen Ready 20%”), pur mantenendo la piena compatibilità con l’utilizzo del solo metano.

Questa strategia di “blending” consente una riduzione immediata delle emissioni di CO₂ senza la necessità di stravolgere l’attuale infrastruttura di distribuzione, rappresentando un primo, ma fondamentale, passo concreto verso la transizione energetica.

Il bruciatore e il sistema di controllo della fiamma di queste caldaie sono dotati di tecnologie avanzate, capaci di adattarsi automaticamente e in tempo reale alle diverse miscele di gas erogate, garantendo in ogni momento una combustione efficiente e, soprattutto, sicura grazie all’integrazione di sensori e valvole intelligenti.

La specifica tecnica UNI/TS 11854

Un passo fondamentale verso la diffusione delle caldaie a idrogeno è stato compiuto in Italia con la pubblicazione, il 24 febbraio 2022, della specifica tecnica UNI/TS 11854.

Questa norma, la prima a livello europeo sul tema, definisce i requisiti e le procedure di prova per i generatori di calore (fino a 300 kW) alimentati con miscele di gas naturale e idrogeno fino al 20% in volume.

Sviluppata dalla Commissione Riscaldamento del CIG con il contributo di Assotermica e ANIMA Confindustria, UNI/TS 11854 fornisce un unico riferimento nazionale per la progettazione e verifica delle caldaie.

Essa introduce nuovi gas limite di prova, consentendo una certificazione di parte terza come "hydrogen ready 20%" prima dell'immissione sul mercato. Questo dimostra la prontezza del settore riscaldamento nell'adottare l'idrogeno, anticipando le normative europee e facilitando la riduzione immediata dei consumi di gas naturale.

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