Decodificare l'arcobaleno dell'idrogeno

Serie Idrogeno

L'anno scorso, il nostro fondatore Bertrand Piccard ha annunciato il lancio della sua prossima e rivoluzionaria missione: Climate Impulse. Dopo aver compiuto il giro della Terra con l'aereo Solar Impulse tra il 2015 e il 2016, Bertrand Piccard intende spingere ancora più in là i confini del pionierismo delle tecnologie pulite. Nel 2028 tenterà un altro viaggio intorno al mondo, questa volta non stop, a emissioni zero, con un aereo alimentato a idrogeno verde.

L'idrogeno verde è un termine emergente nel campo della sostenibilità ambientale e si trova persino al centro dell'attuale dibattito sulla sostenibilità: salutato come un eroe dell'energia pulita da alcuni, criticato come una costosa distrazione da altri. I suoi metodi di produzione variano notevolmente in termini di impatto sul carbonio: dall'idrogeno "grigio" di origine fossile all'idrogeno veramente verde prodotto con elettricità rinnovabile. I critici ne contestano l'inefficienza e la scalabilità, soprattutto per il trasporto terrestre e il riscaldamento. Tuttavia, in settori difficili da decarbonizzare come l'aviazione, dove la densità energetica è importante e le soluzioni a batteria sono insufficienti, l'idrogeno rimane una delle poche strade percorribili verso un vero volo a emissioni zero.

Questo articolo è il primo di una serie pensata per aiutarvi a capire meglio le basi dell'idrogeno e il suo impatto sul clima.

L'idrogeno sulla Terra

Per capire perché l'idrogeno è centrale nella nostra società e sempre più popolare come potenziale attore chiave per raggiungere un futuro sostenibile, dobbiamo esplorare il suo ruolo fondamentale:

• 0,00005% del volume dell'atmosfera in forma di gas (_H2)^.1

• Gli atomi di idrogeno costituiscono circa l'11% della massa totale dell'acqua^.2

• 10% della massa del nostro corpo^.3

L'idrogeno ha anche un impatto immenso sulla nostra vita quotidiana: secondo un rapporto dell'AIE, ogni anno vengono prodotti a livello globale 90 milioni di tonnellate di idrogeno solo per scopi industriali (produzione di ammoniaca, raffinazione del petrolio). Inoltre, l'idrogeno viene utilizzato nei settori dell'energia (celle a combustibile, stoccaggio dell'energia), dell'aerospaziale e dei voli spaziali (propulsione per i razzi) o dei trasporti puliti (trasporti pubblici, spedizioni di merci). È necessario fare una chiara distinzione tra i diversi tipi e colori di idrogeno in base al loro metodo di produzione.

Un approfondimento sulla domanda globale di idrogeno nel 2023 dell'Università di Stanford

Colori dell'idrogeno a emissione di carbonio

L'idrogeno nero o marrone è prodotto dalla gassificazione del carbone, un processo che genera notevoli emissioni di_CO2 (19 _tCO2/tH2⁾⁴. Viene utilizzato per sintetizzare l'ammoniaca, soprattutto in Cina e in India, Paesi ricchi di carbone che utilizzano l'ammoniaca come fonte di fertilizzanti, o in Sudafrica per convertire il carbone in combustibili ^liquidi5.

L'idrogeno grigio è un prodotto dei combustibili fossili attraverso il reforming del vapore o la gassificazione del carbone. L'idrogeno grigio è oggi la principale soluzione di idrogeno al mondo; rappresenta il ^95%6 del consumo di idrogeno della nostra società e viene utilizzato per i processi di idrogenazione negli alimenti o nell'elettronica, o per produrre metanolo a livello globale. Attualmente è l'opzione di idrogeno più interessante dal punto di vista finanziario, in quanto costa circa 1-2 dollari per chilogrammo di ^H27. Tuttavia, non è un'opzione praticabile in quanto rilascia nell'atmosfera 10-19 tonnellate di_CO2 per ogni tonnellata di ^H28.

Ottenuto dal gas naturale mediante steam gas reforming abbinato alla cattura e al sequestro del carbonio (CCS), l'idrogeno blu è considerato una "tecnologia ponte" sulla strada della completa decarbonizzazione. Riduce significativamente le emissioni_{di CO2} (1-4 tCO2/tH2⁾⁹ rispetto all'idrogeno grigio e rimane relativamente economico (1,5-3 dollari per chilogrammo di H2⁾¹⁰. L'idrogeno blu è sempre più utilizzato nell'industria dei trasporti come fonte di energia per camion pesanti, autobus, treni e navi.

La ruota dei colori dell'idrogeno

Colori dell'idrogeno promettenti e tecnologicamente accessibili

L'idrogeno verde proviene da fonti di energia rinnovabili come l'eolico, il solare o l'idroelettrico attraverso un processo noto come elettrolisi dell'acqua, in cui un elettrolizzatore scinde le molecole di acqua (_H2O) in ossigeno gassoso (_O2) e idrogeno gassoso (_H2). Questo processo genera tra 0 e 2,5 kg di_CO2 per kg di ^H211, a seconda della fonte di elettricità e dell'efficienza del processo di elettrolisi, rendendolo la forma di idrogeno più pulita di cui disponiamo oggi. Attualmente, i costi dell'idrogeno verde sono elevati (3-8 dollari per chilogrammo di_H2⁾¹², il che può spiegare perché rappresenta meno dello 0,1% della produzione mondiale di ^idrogeno13. Per cambiare questa situazione, è necessario sviluppare impianti di produzione di idrogeno verde. In Arabia Saudita, il progetto NEOM mira a costruire il più grande impianto di idrogeno verde del mondo. Solo ampliando queste strutture la produzione di idrogeno verde potrà diventare accessibile su scala globale.

Anche l'idrogeno giallo viene sviluppato con l'elettrolisi dell'acqua e utilizza l'elettricità della rete elettrica generale, che di solito è un mix di combustibili fossili, rinnovabili e nucleare. Con la modernizzazione delle reti elettriche, l'idrogeno giallo potrebbe diventare la forma più economica di idrogeno rinnovabile nel medio termine. La Svezia è un ottimo esempio da seguire: circa il 99% del suo mix energetico sarà basato su fonti pulite entro il 2024.

Anche l'idrogeno viola, rosa e rosso possono essere considerati fonti di energia pulita, in quanto non emettono_CO2 durante la loro produzione. Come l'idrogeno verde, sono prodotti dell'elettrolisi dell'acqua, ma alimentati da energia nucleare e calore invece che da fonti di energia rinnovabili. Ciò significa che sono a zero emissioni di carbonio se la fonte nucleare è priva di emissioni. Questi idrogeni sono attualmente più facilmente accessibili rispetto all'idrogeno verde, poiché gli impianti di produzione (centrali nucleari) sono più frequenti. Tuttavia, il prezzo di produzione può variare significativamente da una regione all'altra, a seconda dell'accettazione politica e pubblica delle centrali nucleari.

La produzione di idrogeno verde di NEOM spiegata

Colori di idrogeno potenzialmente puliti nelle prime fasi di sviluppo

Orange Hydrogen mira alla produzione di idrogeno dai rifiuti plastici attraverso la pirolisi, la catalisi a microonde e la foto-riforma. Questi processi tecnici e chimici decompongono i rifiuti plastici in assenza di ossigeno utilizzando energia a microonde e catalizzatori attivati dalla luce. L'obiettivo è estrarre idrogeno dal materiale plastico per trasformare i rifiuti in una preziosa fonte di energia. Questa complessa tecnologia richiede ancora una messa a punto e non è ancora matura su scala industriale. La plastica varia molto nella sua composizione (polietilene o PVC), rendendo difficile l'estrazione di una quantità sufficiente di idrogeno. I catalizzatori sono una parte essenziale del processo di produzione, ma attualmente sono molto costosi, soggetti a errori e non ottimizzati per la produzione su larga scala.

Il Turquoise Hydrogen è idrogeno prodotto dal gas naturale a seguito di una pirolisi del metano. Il gas naturale viene decomposto in idrogeno e carbonio solido ad alte temperature. Poiché il carbonio è solido, non viene rilasciato nell'atmosfera ma deve essere immagazzinato, il che può causare ulteriori problemi logistici. Il mantenimento delle alte temperature necessarie per il processo di produzione è impegnativo e attualmente richiede un notevole dispendio di energia, oltre che di denaro. Poiché questo idrogeno richiede ancora metano nella fase di produzione, le perdite della catena di approvvigionamento possono compromettere i benefici per il clima. L'idrogeno turchese avrà bisogno di tempo prima di dimostrare di essere una soluzione pulita, ma potrebbe diventare un'alternativa.

Uno sguardo alla produzione di idrogeno turchese:

Cosa ricordare

Il potenziale sostenibile di un'energia dipende in larga misura dal processo di produzione che porta alla sua esistenza. I veicoli elettrici sono innegabilmente un modo per ridurre le nostre emissioni di gas serra, in quanto rilasciano direttamente molto meno carbonio rispetto alle auto a gas naturale. Tuttavia, per avere un impatto definitivo e positivo sull'ambiente, le soluzioni per ridurre l'impronta di carbonio nel processo di produzione devono essere ulteriormente sviluppate. Se la fonte di energia elettrica o le batterie rimangono combustibili fossili o altri materiali che emettono carbonio nel lungo termine, stiamo solo nascondendo e ritardando i nostri problemi, non trovando soluzioni.

Lo stesso principio vale per l'ulteriore sviluppo delle tecnologie dell'idrogeno. Nel 2023, l'Agenzia Internazionale dell'Energia (AIE) ha stimato che solo l'1% (!) della produzione globale di idrogeno potrebbe essere considerato pulito. Entro il 2030, le proiezioni di McKinsey sostengono che questo numero potrebbe salire al 30%. Un'importante espansione delle tecnologie di produzione di idrogeno pulito sarà di vitale importanza se vogliamo che l'idrogeno verde diventi un'opzione accessibile a livello globale.

Le attuali implementazioni dell'idrogeno verde stanno già mostrando promesse che potrebbero motivare i potenziali interessati a investire ulteriormente in questo campo. Restate sintonizzati per saperne di più su queste adozioni nel nostro prossimo articolo sull'idrogeno!