Il giusto ruolo dell'idrogeno nella transizione energetica

Idrogeno strategico: Efficienza più che ideologia

L'idrogeno non è una pallottola d'argento e trattarlo come tale potrebbe far perdere tempo e risorse preziose.

Sebbene l'idrogeno abbia un ruolo cruciale da svolgere nella decarbonizzazione di settori come l'acciaio, il trasporto marittimo e l'aviazione, non è né efficiente né necessario per ogni applicazione. Utilizzare l'idrogeno laddove esistono alternative migliori, come l'elettrificazione diretta delle automobili o degli edifici, rischia di rallentare la transizione e di gonfiare i costi. Come ogni strumento, l'idrogeno funziona meglio se usato con precisione. La sfida è ora quella di superare il clamore e di impiegarlo dove ha più senso, dal punto di vista tecnico, economico e ambientale.

Questo articolo si propone di fare luce su questi aspetti, contribuendo a demistificare un argomento che troppo spesso scatena posizioni dogmatiche piuttosto che un dialogo pragmatico.

Una domanda crescente di idrogeno

Con l'accelerazione degli obiettivi di decarbonizzazione, l'interesse degli investimenti nelle applicazioni dell'idrogeno è in forte aumento, anche se molti progetti sono ancora in fase iniziale e il successo dipenderà da casi d'uso mirati e scalabili. Nel 2024, gli investimenti globali nell'idrogeno verde sono stati stimati in circa 8 miliardi di dollari e gli analisti di mercato prevedono una crescita sostanziale fino al 2030. I principali investitori stanno impegnando capitali su larga scala, come il fondo infrastrutturale Hy24 da 2 miliardi di dollari, che sostiene progetti avanzati di idrogeno verde in Europa e Asia.

Il nostro ultimo articolo sui colori dell'idrogeno ha toccato brevemente gli attuali settori di applicazione dell'idrogeno, ma qual è la loro distribuzione e come si evolveranno i relativi numeri?

Previsioni sulla domanda di idrogeno dalla Prospettiva Energetica Globale 2023 di McKinsey & Company

L'espansione e la diversificazione delle operazioni con l'idrogeno

Attualmente, circa il 95% della domanda di idrogeno proviene da settori industriali come la produzione di fertilizzanti, la desolforazione e l'idrocracking per lo sviluppo di carburanti più puliti o l'utilizzo dell'idrogeno come materia prima per le materie ^plastiche2. Il restante 5% si concentra nei settori della produzione di energia (celle a combustibile a idrogeno, stoccaggio dell'energia⁾³, dell'aerospaziale e dei voli spaziali (propulsione dei razzi⁾⁴ e degli usi emergenti come i trasporti puliti (camion, autobus) o la miscelazione dell'idrogeno nelle ^reti del gas5.

Il panorama di utilizzo dell'idrogeno è destinato a diversificarsi in modo significativo. Secondo il Global Energy Perspective 2023 di McKinsey&Company, la distribuzione futura potrebbe essere la seguente:

• 50-60% per le applicazioni industriali: ulteriore produzione di ammoniaca, metanolo e acciaio, crescita dei processi a basse emissioni di carbonio.

• 15-20% per i trasporti: sviluppo di veicoli a celle a combustibile (in particolare per il trasporto marittimo e il trasporto pesante).

• 20-25% per la generazione e lo stoccaggio di energia: generazione di elettricità, bilanciamento della rete, stoccaggio di energia a lungo termine.

• 5-10% per l'edilizia e il riscaldamento: crescita delle applicazioni di riscaldamento residenziale e commerciale.

Queste cifre illustrano ulteriormente l'attrattiva dell'idrogeno per vari settori. Tuttavia, è fondamentale identificare dove e perché l'idrogeno offre il massimo valore - e dove non lo offre.

L'idrogeno liquido ha già alimentato il programma Apollo della NASA, le missioni che hanno portato l'uomo sulla Luna più di mezzo secolo fa!

Settori pronti per la diffusione dell'idrogeno

• Industria pesante

Produrre acciaio, ferro, prodotti chimici o cemento è essenziale per il nostro stile di vita moderno. Tuttavia, l'industria pesante è responsabile di quasi il 40% delle emissioni globali di ^CO26. Ciò è dovuto principalmente all'elevato calore (1.400-1.700°C⁾⁷ necessario per convertire i materiali in acciaio o cemento - o al carbone, al petrolio e ai gas naturali utilizzati come materie prime per la produzione di prodotti chimici.

L'idrogeno prodotto da energie rinnovabili potrebbe essere un attore chiave nella decarbonizzazione dell'industria pesante, fungendo da agente riducente efficiente e pulito nella produzione di ferro. Il processo emetterebbe vapore acqueo anziché_CO2. A titolo di esempio, l'iniziativa HYBRIT immagazzina ^100m3 di idrogeno gassoso verde per produrre ferro e acciaio senza fossili su scala industriale, con l'obiettivo di ridurre le emissioni di anidride carbonica di Svezia e Finlandia rispettivamente del 10% e del 7%. Questo potrebbe potenzialmente ridurre i costi operativi della produzione di idrogeno fino al 40%!

Durante il processo Haber-Bosch, l'idrogeno reagisce con l'azoto per formare ammoniaca (_NH3), un componente fondamentale per i fertilizzanti. Attualmente, l'idrogeno grigio derivato dal gas naturale o dal carbone è il principale tipo di idrogeno utilizzato in questo processo. Il passaggio a una forma più pulita di idrogeno nel processo di produzione dell'ammoniaca potrebbe ridurre significativamente le emissioni di_CO2. L'utilizzo dell'idrogeno blu potrebbe ridurre queste emissioni fino all'80%, mentre l'idrogeno verde fino al 90%.

Il progetto First Ammonia in Texas, negli Stati Uniti, prevede l'installazione di un elettrolizzatore da 100 MW per incrementare la produzione di idrogeno verde e fornire circa 300 tonnellate di ammoniaca verde al giorno.

Impianto di stoccaggio dell'idrogeno Hybrit

• Trasporto pesante

Consentendo un rifornimento più rapido, un carico utile ottimizzato e un'autonomia maggiore, l'idrogeno potrebbe contribuire a risolvere le varie sfide incontrate dai trasporti a lungo raggio. I veicoli pesanti si stanno progressivamente orientando verso i veicoli elettrici a batteria (BEV).

Tuttavia, la sola elettrificazione non consentirà una completa decarbonizzazione del trasporto pesante. Ad esempio, i camion a lungo raggio che richiedono batterie da 1-2MWh spesso impiegano diverse ore per ricaricarsi completamente, aumentando la durata dei viaggi fino al 35%. L'utilizzo di celle a combustibile a idrogeno o di motori a combustione potrebbe invece ridurre il tempo di ricarica a 10-15 minuti.

La Solar Impulse Foundation ha etichettato la soluzione a idrogeno di Ways2H, adottata dal Regno Unito per servire ben 1.600 autobus a celle a combustibile fornendo da 500 kg a 1 tonnellata di carburante rinnovabile a idrogeno al giorno. I camion, gli autocarri o altri veicoli commerciali pesanti potrebbero ottimizzare seriamente la loro autonomia di viaggio e coprire fino a 11.000 chilometri di strada al giorno! Se le fonti di alimentazione dei camion a lungo raggio passassero dai combustibili fossili convenzionali all'idrogeno verde rinnovabile, le emissioni di gas serra potrebbero essere ridotte di circa l'89%.

Nel mondo del trasporto merci, Maersk sta sviluppando fortemente la produzione di metanolo verde come carburante per le sue navi. L'azienda stacollaborando con Carbon Sink LLC per produrre 100.000 tonnellate di metanolo verde, una combinazione di idrogeno verde e_CO2 biogenica, all'anno. Attualmente sono attive 13 navi cargo Maersk a doppia alimentazione con metanolo verde. Entro la fine dell'anno, saranno impiegate 19 navi che genereranno un risparmio annuale di emissioni di_CO2 di circa 2,3 milioni di tonnellate. Inoltre, le modifiche necessarie per incorporare questa tecnologia hanno permesso alle navi di aumentare la loro capacità da 15.000 a 15.690 TEU(Twenty-foot Equivalent Unit).

Il metanolo verde sviluppato dall'idrogeno verde potrebbe essere d'ispirazione per lo sviluppo del trasporto merci.

• Stoccaggio a lungo termine

L'idrogeno può anche essere utilizzato per immagazzinare l'energia in eccesso proveniente dall'energia eolica e solare e riutilizzarla quando serve, invece di sprecarla. L'alimentazione a gas (idrogeno) potrebbe fornire settimane o mesi di stoccaggio, a differenza delle batterie, che sono limitate a ore o giorni.

Nello Utah, negli Stati Uniti, è in costruzione il più grande sito di stoccaggio di idrogeno al mondo: il progetto Advanced Clean Energy Storage (ACES) . Fornirà oltre 300 GWH di accumulo di energia in enormi grotte di sale, ognuna abbastanza spaziosa da ospitare l'Empire State Building. Lanciata da Mitsubishi Power e Magnum Development, l'iniziativa utilizzerà queste caverne di sale per immagazzinare energia rinnovabile. Mike Ducker, vicepresidente del settore combustibili rinnovabili di Mitsubishi Power, ha dichiarato che:

"Servirebbero circa 40 GW di batterie agli ioni di litio per avere la stessa quantità di potenziale di stoccaggio in una sola delle nostre caverne".

Entro il 2026 saranno disponibili 4 caverne per lo stoccaggio. Le caverne vengono create sciogliendo il sale con l'acqua (estrazione di soluzioni) e producendo salamoia. Questo prodotto rimarrà contenuto in bacini di evaporazione dotati di sistemi di monitoraggio delle acque sotterranee e di rilevamento delle perdite, per garantire un impatto ambientale minimo. Inoltre, le formazioni saline hanno una bassa porosità e la capacità di chiudere naturalmente le fratture, garantendo un contenimento del gas a lungo termine.

Settori incompatibili con lo sviluppo dell'idrogeno

Ci sono diversi settori in cui l'idrogeno non sembra essere l'alternativa più promettente. In varie situazioni, l'elettrificazione, le batterie o altre soluzioni a basso contenuto di carbonio hanno un vantaggio competitivo rispetto all'idrogeno in termini di efficienza, costi e plausibilità.

• Riscaldamento strutturale

Le pompe di calore sono molto più efficienti delle fonti di riscaldamento a idrogeno. Le caldaie a idrogeno funzionano in genere con un'efficienza del 60-70%, rispetto alle pompe di calore che possono raggiungere un'efficienza del 300-500% grazie alla loro capacità di trasferire piuttosto che generare ^calore8. Inoltre, la riconversione delle infrastrutture in modo che l'idrogeno possa essere incorporato nei gasdotti è troppo costosa e complessa.

• Autovetture e veicoli commerciali leggeri

Sebbene abbiamo visto i vantaggi della tecnologia dell'idrogeno per il trasporto pesante, essi non si applicano quando si tratta di auto più piccole destinate a trasporti brevi o addirittura al trasporto pubblico urbano. I veicoli leggeri richiedono batterie molto più piccole e leggere rispetto ai trasporti pesanti. Un camion elettrico con un'autonomia di 1.000 km può avere bisogno di 4-6 tonnellate di ^batterie9, ma la batteria di un'autovettura pesa solo 400-600 kg e ha un'autonomia di 500-600 km^.10 Per questa autonomia, l'efficienza energetica (75-85% per i BEV, 30-40% per i veicoli a ^idrogeno11) sarà un vantaggio rispetto alle caratteristiche di ricarica rapida dei veicoli a idrogeno.

Inoltre, i veicoli elettrici a batteria (BEV) sono diffusi a livello globale e ampiamente supportati. Attualmente ci sono oltre 26 milioni di BEV sul ^mercato12. Al contrario, ci sono solo 70.000 celle a combustibile sulla stessa ^scala13. Lo sviluppo di infrastrutture di rifornimento di idrogeno per competere con i BEV sarebbe scarso, costoso e non offrirebbe un vantaggio significativo in termini di impronta ambientale.

Le stesse argomentazioni sono valide per i trasporti pubblici urbani, come treni e autobus della metropolitana, che sono applicazioni a corto raggio e a bassa potenza che favoriscono in modo analogo l'efficienza energetica.

Grafico che mostra l'espansione dei BEV, da Statista Mobility Market Outlook

• Processi industriali a bassa temperatura

Processi come la lavorazione degli alimenti, i tessuti, l'asciugatura della carta o il lavaggio delle bottiglie richiedono un calore compreso tra 60 e ^150ºC14. Ancora una volta, i riscaldatori elettrici resistivi o le pompe di calore convertono l'energia in calore con grande efficienza (100% per i riscaldatori ^resistivi15, fino al 300-500% per le pompe di ^calore16), a differenza del riscaldamento a idrogeno (30-40%⁾¹⁷. Poiché le pompe di calore e i sistemi resistivi sono così efficienti, consumano molta meno energia e di conseguenza sono più economici.

Alimentare il futuro, in modo strategico!

Nel Regno Unito, tre diversi esperimenti di implementazione dell'idrogeno per il riscaldamento residenziale sono stati abbandonati a metà del 2024 a causa di prove concrete che dimostravano come le pompe di calore elettriche fossero più efficienti e convenienti. Si stima che uno dei progetti, se fosse stato realizzato, sarebbe costato fino a 200 milioni di sterline.

Queste prove sottolineano la necessità di investire nell'idrogeno laddove esso offre un valore reale e una scalabilità. Iniziative strategiche come la Banca europea dell'idrogeno, che ora stanzia oltre 1 miliardo di euro per progetti sull'idrogeno verde, dimostrano come un finanziamento mirato possa accelerare l'impatto. Inoltre, la Commissione europea ha adottato una nuova metodologia di emissione per l'idrogeno a basse emissioni di carbonio, completando il quadro normativo dell'UE e fornendo chiarezza giuridica agli investitori. Insieme, questi sforzi rafforzano la fiducia nel settore e contribuiscono a posizionare l'idrogeno come soluzione credibile.

La Solar Impulse Foundation è impegnata a contribuire, insieme a Climate Impulse, a dimostrare il valore strategico dell'idrogeno, non in tutti i settori, ma dove ha senso, fornendo un modello ispiratore per l'innovazione e la diffusione sostenibile. In questo spirito, il nostro prossimo articolo conterrà gli approfondimenti di un esperto di idrogeno, che condividerà il suo punto di vista sulle prospettive future del settore... Restate sintonizzati!