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Il Polimi fa chiarezza sull’idrogeno: a chi e quanto ne serve

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Il Polimi, Politecnico di Milano, fa chiarezza sull’idrogeno. Esortando l’Italia a definire la  strategia nazionale, indicando con precisione gli obiettivi.

Il Polimi fa il punto su produzione, uso e trasporto

Il Polimi

La premessa è: servono idee chiare, sapendo dove si vuole arrivare e con quali percorsi, nella scia della Strategia Europea, come già fatto dai principali Paesi. E per ottimizzare lo sviluppo del mercato, che al momento si può definire “primordiale”, è necessario creare nuovi sistemi di incentivazione, per i produttori e utilizzatori finali. E avviare progetti pilota per valutare in concreto le differenti opzioni sia dal punto di vista della produzione che del trasporto, che dell’uso dell’idrogeno. Senza dimenticare di riprendere con decisione gli investimenti nelle energie rinnovabili, alla base della produzione di idrogeno verde. L’unica che rispetti appieno il livello di emissioni consentite dalla normativa europea. È la conclusione a cui giunge l’Hydrogen Innovation Report 2021 redatto dall’Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano. Con un focus sulla produzione di dal punto di vista delle tecnologie, delle emissioni di CO2, dei modelli di business e della loro sostenibilità economica.

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Davide Chiaroni, vicedirettore dell’Energy&Strategy Group del Politecnico di Milano.

Il Polimi: mercato  “primordiale”

Gli obiettivi per il settore dell’idrogeno dovrebbero essere integrati nella roadmap di decarbonizzazione prevista dal Fit for 55″, spiega Davide Chiaroni, vicedirettore dell’E&S Group. “Così da pianificare lo sviluppo aggregato delle fonti di energia rinnovabile necessario a raggiungere questi risultati. Senza l’ottimizzazione degli iter autorizzativi per permettere una crescita vera delle rinnovabili, in Italia non sarà possibile sviluppare un mercato dell’idrogeno ‘pulito’. Una nota decisamente positiva, però, viene dagli importanti investimenti stanziati all’interno del Piano nazionale di ripresa e resilienza. 3,7 miliardi di euro, di cui 2 per l’uso di idrogeno in settori difficili da decarbonizzare”.

In giro tanto idrogeno marrone o grigio, inquinante

Immagine che contiene testo, orologio, dispositivo Descrizione generata automaticamente
L’idrogeno è l’elemento chimico più diffuso nell’Universo e sulla Terra. Ma, quando se ne parla nel contesto energetico, si intende in realtà la molecola di idrogeno H2, assai rara in atmosfera. E in grado di produrre energia (termica mediante combustione o elettrica mediante elettrolisi) in maniera pulita senza emissione di anidride carbonica. Tuttavia, essendo rara, tale molecola va prodotta e questo consuma a sua volta energia. Il bilancio tra le emissioni di CO2 durante la produzione e i costi complessivi di generazione, trasporto e stoccaggio è alla base del ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica. Oggi, infatti, la quasi totalità dell’idrogeno prodotto (marrone o grigio) ha un forte e negativo impatto sull’ambiente, ma costa poco. Soltanto lo 0,7% è idrogeno blu o, meglio ancora, verde, derivati da processi assai più costosi ma poco o per nulla inquinanti.

Molti vincoli arrivano dalla stessa normativa  UE

La Strategia Europea per l’idrogeno, rilasciata dalla Comunità Europea nel luglio 2020, è uno dei cardini della completa decarbonizzazione dell’economia. Oltre che del raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica al 2050. Entro il 2030 si prevede di investire tra 320 e 458 miliardi di euro, di cui 220-340 miliardi per la produzione di energia fotovoltaica ed eolica per l’idrogeno verde. E di installare 40 GW di capacità di elettrolizzatori (attualmente siamo a meno di 1) più altri 40 GW nel medio-oriente, così da raggiungere nel 2050 i 500 GW di capacità installata. L’utilizzo di idrogeno nei consumi finali dovrebbe passare dall’attuale 2% fino al 14%. Coinvolgendo non solo l’industria chimica e di raffinazione, ma anche la siderurgica, il trasporto pesante via terra, marittimo e aereo, il riscaldamento urbano e industriale. Tuttavia permangono importanti ostacoli, alcuni nella stessa normativa europea. “I vincoli posti dalla RED II sulle emissioni di CO2 consentite per l’idrogeno pulito, ad esempio, non permettono l’adozione dell’idrogeno blu. In attesa di adottare il più ecologico idrogeno verde”, scrive il Polimi.

Due scenari di qui al 2030 per l’energia rinnovabile

dolgepjeingiagia.pngLa Strategia Europea è stata seguita da quelle dei principali Paesi membri, tra cui Germania, Francia e Spagna. In Italia, invece, al momento sono disponibili solo le Linee guida della strategia per l’idrogeno emesse dal Ministero dello Sviluppo economico lo scorso novembre. Fissando l’obiettivo di 5 GW di capacità di elettrolizzatori nel 2030 e indicando investimenti per circa 10 miliardi, di cui 5-7 per la produzione di H2. Ma non per lo sviluppo di impianti di rinnovabili alla base del processo per l’idrogeno verde. Più 2-3 per la realizzazione di infrastrutture e 1 per la ricerca. Cifre non dissimili da quelle di Germania, Francia e Spagna. L’energia rinnovabile di cui disporrà l’Italia al 2030 è in linea con questi obiettivi? L l’E&S Group ha sviluppato due scenari. Nel primo, si considera quanta elettricità da rinnovabili in più sia necessaria per coprire la differenza tra gli attuali consumi e quelli al 2030. Nel secondo si valuta quanta ne occorrerebbe anche per sostituire il 50% di idrogeno non «green». Se nel primo scenario la capacità prevista di elettrolizzatori e una generazione di rinnovabile aggiuntiva di 7,5 GW sarebbero sufficienti, nel secondo caso assolutamente no.

Tecnologie di produzione: costi bassi, emissioni alte

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onfnildbemhmjcpo.pngAttualmente, quasi tutte le molecole di idrogeno prodotte hanno un forte e negativo impatto sull’ambiente. Il 99,3% delle circa 73 Mton H2 complessive, infatti, deriva dal trattamento a vapore del metano (SMR) o da gassificazione del carbone (idrogeno grigio o marrone). E immette in atmosfera circa 9-10 tonCO2/tonH2 nel primo caso o peggio 18-20 tonCO2/tonH2 nel secondo. L’idrogeno così prodotto alimenta l’industria chimica e di raffinazione e comporta costi bassi, rispettivamente 1-2 $/kgH2 per lo SMR e 1-1,5 $/kgH2 per la gassificazione. Il tema centrale sta qui: come produrre idrogeno non solo per questi settori, ma anche per il trasporto pesante, il riscaldamento urbano o la decarbonizzazione di altri processi industriali. Ad esempio la siderurgia, a costi competitivi con gli attuali ma senza emissioni di CO2 in atmosfera. I due processi coinvolti oggi in questa sfida riguardano la produzione di idrogeno blu e quella di idrogeno verde. In base ai colori definiti per distinguerli, partendo dalla fonte energetica utilizzata e dalle relative emissioni di CO2 in atmosfera.

L’idrogeno verde è l’unico che rispetta i limiti RED II

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Il Report analizza le tecnologie di produzione di idrogeno “marrone”, “grigio”, “blu” e “verde” (e “giallo”, che si ottiene come il verde, ma usando energia elettrica dalla rete). L’idrogeno blu deriva dal trattamento a vapore del metano (SMR) o, più raramente, da gassificazione abbinata a tecniche di cattura della CO2 emessa. Esistono vari impianti pilota a livello industriale che, con approcci diversi, hanno dimostrato la possibilità di arrivare a un costo complessivo di produzione di 2-2,5 $/kg H2. Ma con una soglia di emissioni di circa 5 ton CO2/ton H2, maggiori delle 3 stabilite dalla RED II a livello europeo per parlare di idrogeno “pulito”. La produzione di idrogeno verde, mediante elettrolisi dell’acqua ottenuta usando elettricità da fonti rinnovabili, è l’unica tecnologia presente sul mercato in grado di rispettare appieno i limiti di emissioni imposte dalla RED II.  Ed è quindi il pilastro su cui ruota tutta la Strategia europea dell’idrogeno.

il polimiCome si produce l’idrogeno più pulito

Consiste nell’alimentare mediante elettricità “pulita” una serie di celle elettrolitiche in serie, denominate stack, che consumano acqua e producono idrogeno e ossigeno. L’elettrolizzatore è costituito dagli stack e dai sistemi di alimentazione elettrica, pompaggio e trattamento dell’acqua, trattamento dell’idrogeno e controllo di tutto l’impianto. Per queste tecnologie il margine di riduzione dei costi è molto ampio, in particolare con la crescita dell’industrializzazione dei processi e le economie di scala. Ma,  come si è visto in questi mesi – molto dipenderà anche dai prezzi che assumeranno i materiali più scarsi o prodotti in limitate aree geografiche. Vi sono diversi tipi di elettrolizzatori, alcuni già sul mercato e altri in fase di sviluppo. Gli elettrolizzatori alcalini (AEL) sono utilizzati da anni in alcuni comparti industriali come la produzione del cloro-soda, dimostrando affidabilità. Funzionano per 60.000-100.000 ore e utilizzano materie prime non costose, ma non possono operare a bassi carichi e con elevato footprint.

Elettrolizzatori a membrana polimerica, l’alternativa

in alternativa, gli elettrolizzatori a membrana polimerica (PEM) hanno un design molto più compatto, possono essere operativi a bassi e alti carichi. E hanno una vita utile sufficientemente elevata, attorno alle 50.000-80.000 ore, ma richiedono materiali molto costosi come platino e iridio per i catalizzatori. L’iridio in particolare, l’elemento chimico meno presente sulla crosta terrestre, si teme possa diventare un collo di bottiglia. Oggi il suo costo è salito del 400% rispetto al 2015-2020 proprio per l’importanza che ricopre nella produzione dell’idrogeno. Entrambi questi elettrolizzatori operano a bassa temperatura, attorno ai 70-80 gradi, e risentono di una efficienza non molto elevata, circa 60 kWh per kg di H2. L’elettrolizzatore a ossidi solidi (SOEC) opera invece ad alta temperatura, 700 gradi, con una maggiore efficienza di produzione dell’idrogeno. E questo è interessante per i settori che hanno vapore ad alta temperatura all’interno dei loro processi. Ma risente ancora di un livello di maturità tecnologica relativamente basso.


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13 COMMENTI

  1. L’ idrogeno verde sarà verde solo quando ci sarà sovrabbondanza di energia elettrica da fonti rinnovabili.
    Oggi le fonti rinnovabili sono limitate e quindi l’ energia elettrica marginale (quella per alimentare i consumi aggiuntivi) è di origine fossile.
    Possiamo quindi dire senza paura di smentita che *attualmente* gli elettrolizzatori che producono idrogeno sono alimentati da energia al 100% da fonti fossili *anche se collegati direttamente a un impianto fotovoltaico o eolico*.
    L’ idrogeno da elettrolisi è inoltre un sistema di accumulo di energia altamente inefficiente, anche i progressi tecnologici non potranno fare molto, ci sono dei limiti termodinamici legati p.es. alla compressione o allo spreco dell’ ossigeno da idrolizzatore che non possono essere superati. Quindi anche quando sarà veramente da rinnovabili l’idrogeno verde per uso automotive rimarrà una “batteria” (sistema di vettoriamento e accumulo) energeticamente inefficiente, che spreca gran parte dell’energia che lo alimenta. Sarà giustificabile in determinati ambiti per considerazioni di altra natura, per esempio logistiche.

  2. Bijorn il solito Norvegese che conosciamo
    ha “messo le mani” sui primi Truck Elettrici Mercedes
    Un Pullman e un Medio

    420 kWh di batterie ALLO STATO SOLIDO !!
    e 400 km di autonomia ..
    mi sa che l’idrogeno non ha nessun futuro nemmeno sui mezzi pesanti

  3. Bel articolo, ho solo una questione che mi turba da molto tempo, tutti sappiamo il ciclo del acqua, e da quando c’è il percorso è sempre quello, di fatti non finisce, ma se da essa produciamo idrogeno si perché togliamo acqua dal pianeta per produrre ossigeno e idrogeno, alla fine potrebbe finire 🤔🤔

  4. Letto con attenzione, molto interessante. Ci sono 2 punti su cui vorrei lumi: 1) si dice che l’idrogeno produce energia elettrica mediante elettrolisi-mi risulta che l’elettrolisi serva a produrre idrogeno,, non a generare energia; 2) si parla di uso dell’idrogeno nel riscaldamento industriale e civile-ma per questi usi non sono molto più efficienti le pompe di calore elettriche?E quindi utilizzare l’energia elettrica direttamente, invece che per produrre idrogeno che a sua volta produce energia elettrica?
    Complimenti, vi seguo sempre. I vostri articoli sono sempre “densi”, a differenza di altri siti che mi sembrano pieni di fuffa…

    • Deve immaginare l’idrogeno come un accumulatore di energia. Ipotizzando che la produzione di elettricità da rinnovabile arrivi a coprire l’intero fabbisogno energetico mondiale in cifra assoluta, resta il problema che la produzione sarà discontinua, per esempio la notte, in inverno, in assenza di venti ecc. e anche il consumo lo è. L’idrogeno verde accumulerebbe energia nei momenti di sovraproduzione e potrebbe alimentare centrali termoelettriche per coprire i buchi di produzione o i picchi di domanda.
      Non tutti i processi industriali possono essere elettrificati. Acciaierie, cementifici e ceramiche, per esempio, necessitano di combustione, quindi l’idrogeno potrebbe sostituire in toto o parzialmente il metano.

      • L’idrogeno è indispensabile se non c’è alternativa. Limitatamente alle auto elettriche a batteria l’energia costerà meno quando sarà più disponibile incentivando la carica in certe fasce orarie. Decine di milioni di batterie potranno immettere energia in rete quando l’energia costa di più. Programmando adeguatamente le tariffe elettriche si stabilizza la rete.

  5. Questo articolo chiarisce che l’utilizzo dell’idrogeno per le automobili non è praticabile. Servono 60 kWh per produrre un kg d’idrogeno, senza contare la successiva compressione a 700 bar, il trasporto e la distribuzione. Ammettendo che un’auto a idrogeno sia in grado di percorrete 100 km con un kg d’idrogeno e considerando il consumo di 20 kWh per 100 km di un’auto a batteria, comprese le perdite dovute al trasporto e alla ricarica dell’energia elettrica, si capisce che il costo dell’idrogeno è oltre tre volte superiore. Inoltre chi ha un impianto fotovoltaico può produrre l’energia elettrica per caricare le batterie e di certo non per produrre idrogeno. Finalmente il vantaggio dell’idrogeno di consentire il rifornimento in tempi brevi diventerà sempre più marginale con l’evoluzione delle batterie che consentiranno percorrenze sempre maggiori e ricariche sempre più rapide. Naturalmente per le auto molto costose l’idrogeno rimane un’alternativa praticabile, chi spende 100000 € per un auto non si preoccupa del consumo, ma per la grande maggioranza delle auto è fuori discussione.

    • Sono d’accordo, aggiungo che vedo un tale fermento nella ricerca relativa alle batterie automotive e non, che nel giro di pochi anni verranno superati tutti i limiti attuali di peso, autonomia, costo e durata.

      • quoto la rivoluzione elettrica passerà per le Batterie stazionare
        Tesla ha annunciato ,pochi giorni fa, una nuova fabbrica per i megapack
        le chimiche per le batterie si specializzeranno
        quelle per le rinnovabili più promettenti vanno
        da quelle agli ioni di sodio
        ma soprattutto quelle più promettenti economiche e eco compatibili sono le Ferro-aria
        c’è anche chi ha prposto di comprimere la co2 per usarlo come accumulatore , sarebbe un paradosso usare la CO2 in serbatoi siggillati per ridurre la CO2 in atmosfera

    • Concordo, hai spiegato bene il punto fondamentale per cui l’idrogeno non è adatto ad essere usato nell’automotive: la sua scarsa efficienza energetica (anche se utilizzato in fuel cell) rispetto alle batterie.
      L’idea di Toyota di usarlo in motori a scoppio anziché nelle fuel cell peggiora ulteriormente questo che è il punto debole dell’idrogeno facendolo scendere a livelli di efficienza energetica totale infimi.

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