L’idrogeno è la Nuova Frontiera dell'Energia?

Primo elemento della tavola periodica, si presenta nella forma di gas diatomico (H2). Dalla sua produzione alle sue applicazioni, l’idrogeno recentemente sta svolgendo un ruolo verso la strategia a Zero Emissioni italiana e dell’UE, offrendo opportunità e sfide per l'innovazione.

Per contrastare il cambiamento climatico e mitigare il surriscaldamento globale raggiungendo quanto previsto dall’accordo di Parigi, l’elettrificazione è sempre più centrale per la transizione ecologica. Tuttavia, la diversificazione nell’utilizzo di fonti energetiche “pulite” nella produzione industriale guarda anche ad altre soluzioni. In quest’ottica l’idrogeno - primo elemento chimico della tavola periodica che si presenta sotto forma di gas diatomico (H2) -, oltre ad essere l’elemento più presente nell’universo costituendone oltre il 70%, può rappresentare la nuova frontiera dell’energia in chiave “green”.

La sua disponibilità è ampia e financo sorprendente ma, nonostante se ne parli da tempo come fonte energetica “verde”, sfruttarne il potenziale nell’ambito della transizione ecologica per perseguire l’obiettivo Zero Emissioni non è affatto semplice.

Le modalità di produzione dell’idrogeno: quali sono le differenze tra i vari colori

I diversi colori dell'idrogeno rappresentano le varie modalità di produzione e il suo impatto ambientale. Sebbene sia l'elemento più comune nell'universo, infatti, sulla Terra è difficile trovarlo allo stato puro, poiché generalmente è combinato con altri elementi.

Da un lato il reforming del metano è un processo industriale utilizzato per produrre idrogeno, che coinvolge la reazione del metano (CH4) con vapore acqueo a temperature elevate – solitamente intorno ai 550° - per produrre una miscela di idrogeno e anidride carbonica. I diversi colori del primo elemento della tavola periodica, inoltre, identificano le varie forme attraverso cui viene prodotto. L’idrogeno grigio è attualmente la forma primaria, con le statistiche elaborate e diffuse dall’Agenzia Internazionale dell’Energia a chiarire come meno del 2% del consumo energetico europeo è coperto dall’idrogeno grigio, con il 96% di questo prodotto utilizzando gas naturale.

L’idrogeno blu funge da transizione in quanto parte sempre da fonti fossili ed è sempre prodotto tramite processi come il steam methane reforming (SMR) e l'autothermal reforming (ATR) al pari di quello grigio, ma a differenza dell’idrogeno grigio che disperde CO2 nell’ambiente, nella produzione di quello blu il carbonio viene catturato immagazzinato (CCUS). La previsione del fatturato per questa tecnologia è di oltre 3 miliardi di dollari a livello mondiale entro 2030, testimoniando l’attenzione per questa modalità produttiva.

Dall’altro, il processo dell’elettrolisi utilizza l'elettricità per dividere l'acqua (H2O) in idrogeno e ossigeno, offrendo la migliore opzione per la sua produzione di a basse emissioni di carbonio. L’elettrolisi alimentata da energia nucleare produce l’idrogeno rosa. L'idrogeno verde, invece, è prodotto tramite elettrolisi alimentata da fonti energetiche rinnovabili. Ed è proprio l’idrogeno verde quello su cui si punta maggiormente stante il basso impatto ambientale, a cui si aggiunge il vantaggio di poter sfruttare i picchi di energia rinnovabile che, ad esempio, si concentrano in determinati momenti della giornata.

Le modalità di stoccaggio dell’idrogeno

L'idrogeno può essere trasportato in diverse forme, rendendolo un vettore energetico flessibile. Tuttavia, affinché le strutture di produzione e stoccaggio siano economicamente convenienti è essenziale che siano vicine agli utenti finali, poiché ad oggi il trasporto avviene principalmente su strada o rotaia.

Le tipologie di stoccaggio dell'idrogeno possono avvenire in forme diverse. Quello geologico implica la compressione e l'immagazzinamento di idrogeno in formazioni geologiche naturali, mentre lo stoccaggio gassoso in superficie avviene comprimendo il gas e immagazzinandolo nei contenitori, come avviene anche per quello allo stato liquido: in questo caso si agisce ad alte pressioni per ridurre la sua temperatura. Lo stoccaggio solido, invece, prevede l'immagazzinamento dell’idrogeno sotto forma di pellet o polveri.

Nonostante attualmente lo stoccaggio geologico sia quello più diffuso, si prevede che entro il 2030 sarà superato dallo stoccaggio liquido o da un approccio ibrido. Alcune alternative di stoccaggio emergenti sono l'ammoniaca e il metanolo, che offrono maggiore densità di energia e facilità di trasporto. Tuttavia, sorgono preoccupazioni riguardo alla tossicità dell'ammoniaca e all'infiammabilità del metanolo.

Ad oggi la catena del valore dello stoccaggio di idrogeno rimane frammentata, con compressori e cisterne criogeniche che costituiscono la maggior parte dei costi.

L’Europa sta puntando a diverse iniziative e programmi come l'European Clean Hydrogen Alliance (ECHA), Europe’s Net Zero Industry Act, l'European Hydrogen Bank, H2Tech, l'Important Projects of Common European Interest (IPCEI) framework e l'European Hydrogen Backbone Initiative che supportano lo sviluppo dell'idrogeno offrendo finanziamenti e un quadro normativo. Si stima che l’Europa contribuirà al 47% della capacità totale di stoccaggio dell'idrogeno: un obiettivo che verrà raggiunto globalmente tra il 2024 e il 2030.

Applicazioni

Le tecnologie che entrano in gioco in questa fase sono le celle a combustibile, caratterizzate da un processo opposto all’elettrolisi: trasformano l’idrogeno in elettricità. Esse possono essere segmentate in base alla loro chimica: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Alkaline Fuel Cell, Phosphoric Acid Fuel Cell, Molten Carbonate Fuel Cell, Solid Oxide Fuel Cell. Ogni segmentazione, infine, presenta vantaggi e limitazioni specifiche. Qui salta all’occhio uno dei punti deboli studiati: la perdita di “efficienza” del potenziale energetico dell’idrogeno nei i vari passaggi necessari per l’utilizzo

Attualmente l’idrogeno è usato quasi interamente in ambiti industriali come quello chimico, petrolchimico, alimentare e metallurgico, nonché per processi di produzione e trasformazione. Tuttavia, le previsioni verso il 2050 si espandono in particolare nel settore dei trasporti, con quota impiegata per la mobilità sostenibile che secondo le previsioni arriverà al 45% del totale.

Sfide, ambizioni europee e PNRR: il ruolo dell’idrogeno per la decarbonizzazione energetica

Le sfide attuali rimangono legate alla mancanza di infrastrutture di rifornimento di idrogeno, che devono garantire la sicurezza per via della sua alta infiammabilità. L'idrogeno trova applicazione non solo per i veicoli terrestri (in particolare treni e autobus), ma anche per quelli aerei; le celle a combustibile, infatti, sono una fonte di energia emergente per i sistemi aerei senza pilota e un propellente per veicoli spaziali.

Gli obiettivi dell’Unione Europea per l’idrogeno sono tuttavia ambiziosi: 20 milioni di tonnellate di idrogeno disponibili nel 2030, dei quali 10 milioni attraverso la produzione nei Paesi dell’Ue e 10 milioni di importazione. In questo contesto, nella missione 2 del PNRR (Rivoluzione verde e transizione ecologica) sono inclusi stanziamenti per la filiera dell’idrogeno.

Da un lato le risorse sono volte a finanziare la realizzazione di impianti dove produrre elettrolizzatori, oltre a macchinari che consentono di scomporre le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno; dall’altro ne promuovono l’uso e la creazione di hydrogen valleys in aree industriali dismesse, riconoscendo il ruolo chiave che può avere nella transizione ecologica e in quella energetica, nonché all’interno della green economy.

In conclusione, sebbene il 2023 sia stato un anno di riflessione per l'industria dell'idrogeno con costi crescenti e ritardi nel lancio di progetti applicativi, c'è un consenso sul ruolo chiave dell'idrogeno nella transizione energetica. L'attenzione crescente da parte degli investitori grazie alla normativa favorevole, infine, permetterà già nel corso del 2024 il concretizzarsi di un numero di progetti superiore agli studi di fattibilità.