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Idrogeno: il gas sfuggente che renderà il futuro più sostenibile

14 Dicembre 2020

L’idrogeno sarà, probabilmente, il protagonista dell’evoluzione tecnologica nei prossimi anni nell’ambito della mobilità. Le particolari proprietà di questo gas lo hanno reso uno dei nuovi vettori energetici più interessanti e il suo impatto economico potrebbe essere paragonato, nei prossimi decenni, persino a quello del petrolio, ma senza le ben note conseguenze negative per l’ambiente. Vediamo meglio nel dettaglio le caratteristiche dell’elemento più antico dell’universo.

Il gas sfuggente: caratteristiche principali dell’idrogeno

L’idrogeno è l’elemento più naturale, più abbondante e più antico nell’universo: forma circa il 75% della materia ed è il primo “componente” del Sole (per circa il 90%).

Una delle sue caratteristiche più rilevanti è quella di essere un gas incolore e inodore. È abbondante in natura ma non è presente in forma “pura”: appena liberati, i suoi atomi trovano subito un altro elemento differente a cui associarsi, dando vita alla molecola. Per esempio, due atomi di idrogeno, legandosi a uno di ossigeno, formano l’acqua (H2O); quattro atomi di idrogeno, aggregandosi a uno di carbonio, producono il metano (CH₄) e così via, per infinite combinazioni, fino alla formazione di molecole sempre più complesse.

C’è solo un modo per ottenere l’atomo di idrogeno “puro”: staccarlo dalle molecole in cui si è combinato tramite una grande quantità di energia. Da qui nasce l’idea di adottare diversi colori per definire il modo in cui l’idrogeno viene ottenuto.

Tutte le sfumature dell’idrogeno

- Nero: è il meno sostenibile perché ricavato dalla scissione della molecola dell’acqua tramite la corrente prodotta da una centrale elettrica a carbone o a petrolio.

- Grigio: prodotto tramite l’estrazione di combustibili fossili, come il metano, o dallo scarto produttivo di una reazione chimica, questo elemento ha usi industriali. Purtroppo ad oggi, ancora più del 95% dell’idrogeno utilizzato è “grigio”.

- Blu: definito “blu” perché, sebbene sia estratto da idrocarburi fossili come l’idrogeno “grigio”, l’anidride carbonica prodotta nel processo non viene liberata nell’aria bensì viene catturata e immagazzinata. In questo modo, si può ottenere l’atomo di idrogeno senza generare anche emissioni dannose per il clima.

- Viola: è estratto dall’acqua usando la corrente prodotta da una centrale nucleare, cioè a zero emissioni di CO2. Però, se da un lato il nucleare garantisce l’assenza di emissioni nell’aria, dall’altro lato pone enormi problemi riguardo allo smaltimento delle scorie.

- Verde: viene estratto dall’acqua tramite il processo dell’elettrolisi ovvero grazie alla corrente prodotta da una centrale alimentata da energie rinnovabili, ossia idroelettrica, solare o fotovoltaica. L’elettricità in eccesso che non viene utilizzata alimenta celle elettrolitiche che producono idrogeno e ossigeno a partire dall’acqua. Questo processo è totalmente green, caratteristica fondamentale per allineare ogni risorsa ai piani di decarbonizzazione che le varie istituzioni stanno mettendo in campo. L’Unione Europea, infatti, l’8 luglio di quest’anno, ha pubblicato la tanto attesa strategia per l’idrogeno, A hydrogen strategy for a climate neutral Europe, come parte del Green Deal europeo, annunciando l’obiettivo di diventare carbon neutral entro il 2050.  Un obiettivo tanto nobile quanto ambizioso che prevede un investimento tra i 180 e i 470 miliardi di euro.

Il “game changer” della transizione energetica: l’idrogeno verde

L’idrogeno verde è l’unico che assicura due importati vantaggi:

  • L’utilizzo primario di fonti rinnovabili e non di quelle fossili;
  • La produzione di zero emissioni di CO2 perché immette nell’aria solo vapore acqueo.

È indubbio che è su questo tipo di idrogeno green che i grandi produttori dovranno focalizzare la loro attenzione nell’immediato futuro dal momento che attualmente si produce, tramite il processo dell’elettrolisi, solo il 4/5% dell'idrogeno globale. Tuttavia, la progressiva riduzione dell’energia solare e degli elettrolizzatori sta rendendo questa modalità di produzione un game changer per la transizione elettrica.

Secondo alcuni dati dell'Agenzia Internazionale dell'Energia, ad oggi un kg di idrogeno prodotto da gas naturale costa in media due dollari, mentre uno da fonti rinnovabili ne costa cinque. È possibile però che con la rapida evoluzione dei processi tecnologici, si migliori l’aumento della capacità produttiva provocando un calo dei prezzi: secondo un recente studio di Bloomberg New Energy Finance, infatti, i costi di produzione dell'idrogeno verde potranno scendere di oltre il 70% nei prossimi dieci anni. Oggi, quindi, è quanto mai opportuno sfruttare il grande potenziale dell’idrogeno verde nella costruzione di un futuro mix energetico più sicuro, pulito e sostenibile. Approfondiamo i vantaggi nello sfruttare questa fonte di energia rinnovabile.

I vantaggi

Le istituzioni mondiali stanno organizzando grandi piani di investimento sull’idrogeno perché i pregi dell’utilizzo di questo elemento superano di gran lunga i contro:

- Facilmente distribuibile e stoccabile: le sue caratteristiche ne permettono il facile trasporto anche per lunghe distanze, in infrastrutture dedicate o nei gasdotti esistenti, opportunatamente mixato con il gas-metano, realizzando il cosiddetto "power-to-gas". La Snam, azienda italiana che si occupa della distribuzione del gas, afferma che il 70% delle condutture usate per il gas naturale possono essere utilizzate anche per la distribuzione dell’idrogeno.

Elevata densità di energia: presenta una grande quantità energetica per unità di massa, ma allo stesso tempo, una scarsa densità di energia volumetrica rispetto agli idrocarburi. Di conseguenza, è richiesto l’utilizzo di serbatori di maggiori dimensioni per lo stoccaggio: l’accumulo dell’idrogeno avviene, infatti, in bombole o serbatoi ad alta pressione (fino a 1.000 bar) o liquefatto in sistemi criogenici.

- Fattore critico nella lotta alle emissioni di CO2: ad aprile 2019, la Snam ha sperimentato l’immissione di un mix di idrogeno al 5% in volume e gas naturale nella propria rete di trasmissione a Contursi Terme (Salerno). Il 19 dicembre 2019, ha raddoppiato la dose al 10% e ha eseguito la prima emissione a livello europeo di H2NG (miscela di idrogeno e gas) in rete con fornitura diretta a due imprese, un pastificio e un’azienda di imbottigliamento di acque minerali. Se viene applicato il 10% di idrogeno totale del gas trasportato annualmente da Snam, si potrebbero immettere ogni anno in rete 7 miliardi di metri cubi, un quantitativo equivalente ai consumi annui di 3 milioni di famiglie che consentirebbe la riduzione di 5 milioni di tonnellate di anidride carbonica.

Gli svantaggi

Nonostante tutti i benefici che può comportare l’utilizzo di idrogeno verde, ancora non vi è uno sviluppo massiccio dell’elemento a livello industriale. Il deterrente principale è senza dubbio l’elevato costo di produzione. Ma i Paesi Europei si stanno attrezzando per abbattere i prezzi elevati. Un esempio arriva dall’Italia: a Bolzano è stato realizzato un centro di produzione per l'idrogeno  sfruttando l’energia elettrica da fonte fotovoltaica e idroelettrica. L’impianto comprende, oltre alla produzione, una stazione di rifornimento, un’area dimostrativa e un settore per le attività di ricerca.

Un altro importante deterrente è rappresentato dalle “vasche” utilizzate per la produzione di idrogeno che sono realizzate a livello artigianale. L’assenza di economie di scala, infatti, ne penalizza la distribuzione rendendo l’acquisizione di tali strumenti molto onerosa e di conseguenza l’utilizzo dell’idrogeno ancora poco sviluppato.

La soluzione sostenibile per il settore dei trasporti e non solo

Una ricerca realizzata dall’associazione europea Fuel Cell and Hydrogen ha mostrato come l’idrogeno possa essere sfruttato, in larga scala e in settori molto diversificati, per:

- Decarbonizzare il settore dei trasporti: l’utilizzo dell’idrogeno potrebbe determinare un abbattimento delle emissioni di CO2 configurandosi come un punto di rottura con il passato. Grazie alle Fuel Cell – sistemi elettrochimici capaci di convertire l’energia chimica di un combustibile (idrogeno) direttamente in energia elettrica – è possibile decarbonizzare mezzi di trasporto pubblici, navi e aerei. Le celle a combustibile funzionano in modo analogo alle batterie elettriche, in quanto producono energia attraverso un processo elettrochimico. A differenza delle batterie, tuttavia, poiché consumano sostanze provenienti dall'esterno, sono in grado di funzionare senza interruzioni finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria), mentre la batteria deve essere ricaricata.

Decarbonizzare l’energia e il riscaldamento domestico: le celle a combustibile ad idrogeno possono essere sfruttate in un impianto cogenerativo domestico, in cui vi è produzione congiunta e contemporanea di energia elettrica e calore. Per esempio, è possibile collegare un pannello fotovoltaico o un generatore di pale eoliche con una fuel cell: in tal modo, sarà possibile avere disponibilità di energia elettrica in ogni condizione atmosferica sfruttando il sole e il vento e immagazzinando la sovrapproduzione sotto forma di idrogeno per poterla poi sfruttare come scorta energetica nel caso in cui vengano a mancare altre fonti. Un esempio di generatore domestico di energia è la prima caldaia a idrogeno, la HYDRO. Questa è in grado di generare automaticamente energia elettrica, acqua calda sanitaria e da riscaldamento, senza collegamenti da fonti energetiche esterne e senza rilasciare fumi o scarti nell’ambiente: il risultato è lo 0% di emissioni di CO2.

Decarbonizzare alcuni settori dell’industria: l’idrogeno può creare nuove forme di competitività industriale, facendo leva sul potenziale manifatturiero e sulle caratteristiche di gas naturale molto vantaggiose. The European House- Ambrosetti in collaborazione con Snam ha realizzato uno studio intitolato “H2Italy 2050”: una filiera nazionale dell’idrogeno per la crescita e la decarbonizzazione dell’Italia”. In questo studio si indagano, per la prima volta, le potenzialità della filiera italiana dell’idrogeno. L’Italia potrà giocare un ruolo determinate nella riconversione tecnologica e nel consolidamento della filiera dell’idrogeno grazie al suo particolare posizionamento geografico e all’estesa rete gas già presente sul territorio. Inoltre, potrà rafforzare maggiormente la sua posizione in alcuni settori, come quello della produzione di tecnologie termiche per l’idrogeno (primo produttore in Europa, con una quota di mercato del 24%), tecnologie meccaniche per l’idrogeno (secondo produttore in Europa, con una quota di mercato del 19%) e tecnologie per la produzione di idrogeno rinnovabile (secondo produttore in Europa, con una quota di mercato del 25%).

Come riserva di materia prima: essendo facile da stoccare in modo economico, l’idrogeno può essere usato come vettore energetico in un gran numero di operazioni chimiche.

I player dell’idrogeno: chi sta puntando sulla risorsa green?

È su questi dati incoraggianti che si stanno investendo ingenti somme di denaro per sviluppare al meglio le potenzialità della possibile risorsa del futuro. Di seguito, alcuni esempi di aziende e grandi multinazionali in campo per diffondere l’utilizzo dell’idrogeno verde nei settori più disparati.

Eni e Enel lanciano le raffinerie a idrogeno

A inizio dicembre, la multinazionale italiana dell’energia Enel e l’Ente Nazionale Idrocarburi Eni hanno avviato un programma congiunto per favorire l’introduzione dell’idrogeno verde nel settore energetico che alimenta le raffinerie e fare, in tal modo, un rilevante passo in avanti verso il processo di decarbonizzazione promosso dalla Commissione Europea. Le due società installeranno due impianti di elettrolisi della potenza di 10 MegaWatt accanto a due raffinerie dell’Eni, che contribuiranno ad alimentare. Enel sta sviluppando anche altri progetti che rimarcano le caratteristiche innovative dell’idrogeno: la multinazionale ha avviato anche un progetto – Enel Green Power Cile – per produrre idrogeno al 100% verde utilizzando l’energia eolica della Patagonia e realizzando la prima centrale geotermica nel Sud dell’America.

Toyota Mirai: l’elegante e potente auto a idrogeno

La multinazionale giapponese di autoveicoli Toyota ha lanciato sul mercato la seconda generazione della sua auto simbolo della tecnologia fuel cell, ovvero la vettura capace di produrre a bordo l’energia necessaria per muoversi restituendo all’ambiente solo acqua sotto forma di vapore: è la Toyota Mirai. Rispetto al primo modello presentato nel 2014, la nuova coupé quattroporte di quasi 5 metri ha rafforzato la sua autonomia con un rifornimento di idrogeno del 30% in più rispetto a quello precedente. L’auto può garantire una percorrenza di 650 chilometri grazie alla riduzione drastica del peso e al riposizionamento delle celle combustibili al di sotto del cofano inferiore, dove usualmente è montato il motore, che bilancia il peso dell’auto tra l’asse anteriore e quello posteriore. 

Safe Light Regional Vehicle (Slrv): la prima citycar a idrogeno

Il centro aerospaziale tedesco (DLR) ha presentato un prototipo ibrido a idrogeno che combina una struttura leggera con la trasmissione a celle a combustibile: è il Safe Light Regional Vehicle (Slrv). Il suo peso leggero di solo 450 chilogrammi e la sua potente autonomia di circa 400 chilometri, con una velocità massima di 120 chilometri all’ora, la rendono un’auto sicura ma allo stesso tempo perfetta per i pendolari e i fruitori di car sharing. La leggerezza e l’affidabilità del veicolo sono dovute a una cosiddetta “costruzione metallica a sandwich” grazie all’apposizione di materiali diversi quali il metallo per lo strato esterno e la schiuma plastica per quello interno. Per la trasmissione, Dlr ha messo insieme una piccola cella a combustibile con una potenza continua di 8,5 kilowatt a una batteria.

Hyperion presenta la Hypercar XP-1

La startup americana Hyperion con sede in California ha ideato il progetto di un’auto ad idrogeno in grado di offrire un’elevata autonomia abbinata a potenti prestazioni: la vettura in questione è l’Hypercar XP-1 e il suo particolare design ricorda le navicelle aerospaziali, per merito forse della collaborazione che l’azienda ha istituito con la NASA. Le sue peculiarità sono molto interessanti: da 0 a 100 km/h in soli 2,2 secondi, velocità massima di oltre 354 km/h ed un'autonomia di 1.600 km con un singolo pieno e tempi di ricarica nell'ordine di 3-5 minuti, la presenza di particolari motori elettrici ultraleggeri per fornire trazione alle quattro ruote. L’Hyperion XP-1 sarà prodotta in soli 300 esemplari a partire dal 2022

Il camion a idrogeno di Nikola

L’azienda americana Nikola, che prende il nome dal primo inventore dell’automobile elettrica Nikola Tesla, ha messo a punto un camion alimentato totalmente a idrogeno. Il veicolo in questione, il Nikola 3, è il terzo modello presentato dall’azienda che dal 2017 ha proposto già altri due tipi di camion a basse emissioni di CO2. A differenza di quelli precedenti, però, l’ultimo prototipo non avrà bisogno di ulteriori sistemi di alimentazione: oltre a far viaggiare il camion, l’idrogeno produrrà la corrente necessaria agli elettromotori, rendendo il veicolo completamente carbon neutral, perché non avrà bisogno neppure delle batterie elettriche. Il prodotto della combustione dell’idrogeno sarà l’acqua rilasciata sotto forma di vapore. Altri benefici sono legati ai tagli sulla manutenzione in quanto l’idrogeno riduce di mezzo miliardo i costi di sviluppo del progetto e taglia i tempi di almeno quattro anni.

La California investe sull’idrogeno e vieta la vendita di auto ad alimentazione tradizionale a partire dal 2035

Il Governatore della California Gavin Newson ha dichiarato, a fine settembre, di volere contrastare l’inquinamento atmosferico e il riscaldamento globale tramite il divieto imposto alle case automobilistiche di vendere nuove auto a benzina e gasolio in tutto lo Stato e l’incentivo di iniziare a produrre veicoli progressivamente a emissioni zero fino ad arrivare nel 2035 ad essere uno Stato al 100% carbon neutral. Il progetto mette al bando i veicoli a benzina o diesel (compresi i mezzi pesanti) entro il 2045. Parallelamente, il governatore sta incentivando i propri cittadini ad utilizzare maggiormente i veicoli pubblici o le biciclette per contrastare l’incremento dei disastri ambientali: quest’anno, infatti, la California è stata vittima di numerosi e devastanti incendi provocati anche dall’aumento delle temperature legato ai cambiamenti climatici. 

Alstom e Ferrovie Nord Milano: i primi convogli a idrogeno sfrecceranno nel 2023

Nel 2023 sfrecceranno sulle rotaie italiane i primi treni a idrogeno. È l’annuncio che Regione Lombardia ha fatto grazie alla collaborazione tra il costruttore Alstom francese e Ferrovie Nord Milano, il principale gruppo di trasporto e mobilità della Regione, per un investimento pari a circa 160 milioni di euro. Il modello di riferimento è quello del treno regionale Coradia Stream di Alstom che sarà alimentato con la stessa tecnologia all’idrogeno già sperimentata dal Coradia iLint, il primo treno passeggeri a idrogeno attivo in Germania. L’obietto di Alstom è quello di sostituire, entro il 2026, i treni ad alimentazione diesel che percorrono il territorio lombardo. 

Airbus: l’idrogeno conquista i cieli con i primi aerei a idrogeno

A settembre, il costruttore francese di aeromobili Airbus ha svelato al mondo il suo obiettivo di realizzare, entro il 2035, aerei a corto/medio raggio chiamati ZEROe alimentati a idrogeno liquido (LH2), garantendo un futuro carbon-neutral anche al trasporto aereo. La maggiore densità energetica (quantità di energia immagazzinata) di 140 MJ/kg del LH2, più che triplicata rispetto a quella dei tradizionali Jet fuel A1, e la maggiore efficienza degli ZEROe potrebbero garantire una diminuzione del 65% dei consumi rispetto agli aerei “classici”. Inoltre, la combustione di LH2 produce come scarto soltanto H2O con un risultato pari a zero emissioni di CO2: nella pratica, gli aerei ZEROe sarebbero tre volte più efficienti rispetto a quelli a Jet-A1 ed emetterebbero soltanto scie di vapore acqueo. 

Il Giappone presenta il progetto della prima filiera al mondo di idrogeno al mondo

È fissato al 2030 il momento in cui sarà operativa la prima filiera dell’idrogeno al mondo. L’annuncio è stato rilasciato dal Ministro dell’Industria giapponese Hiroshi Kajiyama che ha dichiarato l’impegno di Tokyo di accelerare i processi di riduzione di carbonio nel Paese tramite la commercializzazione conveniente dell’idrogeno verde. Il budget statale per portare a termine l’ambizioso progetto è di circa 800 milioni di dollari, denaro destinato sia alla ricerca sia allo sviluppo tecnologico. L’attivazione della filiera porterà allo sfruttamento di questo vettore in maniera trasversale, dalla produzione di energia fino al riscaldamento. Non è il primo progetto che il Giappone mette a punto per dar vita a un nuovo mercato dell’idrogeno: già nel 2019, la partnership tra aziende nipponiche, quali Kawasaki Heavy Industries, Iwatani Corporation, Shell Japan e J-Power, ha messo a punto il varo della prima nave commerciale al mondo, la Suiso Frontier, per il trasporto dell’idrogeno liquefatto a 1/800 del suo volume originale di gas.

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Team Circular Mobility

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