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Idrogeno verde: è la chiave della decarbonizzazione?

Andrea Ballocchi
15 Ottobre 2021

L’idrogeno verde giocherà un ruolo chiave nei sistemi energetici futuri. La Commissione Europea è convinta che l’idrogeno – e la versione green in particolare – possa contribuire nel centrare l’obiettivo principale contenuto nel Green Deal europeo: raggiungere la carbon neutrality dell’UE entro il 2050.

Idrogeno verde

Foto Shutterstock

I paesi che puntano sull’idrogeno verde

L’Europa on è l’unica a puntare sull’idrogeno rinnovabile. Gli Stati Uniti, attraverso il Dipartimento dell’Energia (DOE) ha annunciato che investirà tra il 2021 e il 2022 685 milioni di dollari sull’idrogeno. In questo senso, di recente ha fatto sapere di avere stanziato 52,5 milioni di dollari per finanziare 31 progetti per far progredire le tecnologie dell’idrogeno pulito di prossima generazione e ridurne il costo.

Il governo del Giappone ha fatto sapere che stanzierà fino a 3,4 miliardi di dollari per due progetti per accelerare la ricerca e lo sviluppo e la promozione dell’uso dell’idrogeno nei prossimi 10 anni. Intende incrementare la domanda di idrogeno del paese a 3 milioni di tonnellate all’anno entro il 2030, da circa 2 milioni di tonnellate attuali, e a 20 milioni di tonnellate entro il 2050.

Giappone ed Europa, in particolare, stanno collaborando per dare vita a un progetto per produrre idrogeno verde da eolico offshore al largo della costa dei Paesi Bassi, uno dei più grandi a livello UE dedicati. Si chiama NortH2, raggruppa vari partner ed è coordinato dalla società petrolifera Royal Dutch Shell. La stessa è attivamente coinvolta nella realizzazione di quello che è stato annunciato come il più grande elettrolizzatore PEM d’Europa all’interno del consorzio europeo REFHYNE e finanziato dall’UE. Le operazioni per la sua costruzione sono partite presso il parco energetico e chimico della stessa Shell in Germania.

Gli annunci mettono in luce come l’interesse verso l’idrogeno, e il green hydrogen in particolare, sia sempre più acceso. Tuttavia, la via verso la produzione in scala ed economica dell’idrogeno verde deve affrontare diversi ostacoli per il suo pieno sviluppo e arrivare al potenziale atteso dalle stime che vedono il mercato globale dell’idrogeno verde raggiungere i 2,28 miliardi di dollari entro il 2027, secondo Grand View Research.

idrogeno verde

Tutti i tipi di idrogeno: da quello nero a quello verde

L’idrogeno è l’elemento conosciuto più abbondante dell’universo. Finora però quello prodotto sulla Terra è ricavato da combustibili fossili. C’è l’idrogeno grigio, quello prodotto dal processo di reforming del gas naturale, c’è quello nero ricavato dalla gassificazione del carbone e persino c’è quello marrone derivante dalla lignite. Questi tre costituiscono la stragrande quota di produzione mondiale. C’è poi quello blu, prodotto per lo più da gas naturale, però l’impianto di produzione è accoppiato a un sistema di cattura e di stoccaggio permanente della CO2. C’è anche quello viola, generato per elettrolisi con elettricità da centrale nucleare. Si arriva poi all’idrogeno verde, da energia rinnovabile, o meglio mediante il processo di elettrolisi dell’acqua alimentata da elettricità da fonti rinnovabili.

L’idrogeno verde è la chiave della transizione energetica

L’idrogeno verde, per le sue caratteristiche, è un elemento chiave della transizione energetica ed ecologica. “La sua diffusione sarà essenziale per settori come l’aviazione, la navigazione internazionale e l’industria pesante, dove l’intensità energetica dove l’intensità energetica è alta e le emissioni sono più difficili da ridurre”, ha scritto Francesco La Camera, direttore generale della International Renewable Energy Agency (IRENA), nel report dedicato a idrogeno verde e alla riduzione dei costi. Sì perché oggi il green hydrogen ha un costo ancora piuttosto elevato rispetto alle altre “colorazioni” dell’idrogeno di provenienza fossile. Tuttavia lo stesso Camera prevede che con le condizioni opportune, entro il decennio potrebbe arrivare a costare meno di 2 euro al chilo, ossia un prezzo abbastanza basso per essere competitivo. Ma servono determinate condizioni e una è certamente legata agli elettrolizzatori.

Treno a Idrogeno

La tecnologia essenziale per l’idrogeno verde: l’elettrolizzatore

L’elettrolizzatore è un dispositivo elettrochimico che permette l’elettrolisi, ovvero il processo che permette di rompere le molecole dell’acqua, scindendo l’idrogeno dall’ossigeno. Ciò è reso possibile grazie ad alcuni elementi fondamentali: l’elettrolita e una specifica membrana, oltre naturalmente all’energia elettrica. L’elettricità è fondamentale per la produzione dell’idrogeno da elettrolisi da acqua, ma altrettanto importanti sono anche le celle elettrolitiche, i circuiti idraulici e i serbatoi dove viene convogliato l’idrogeno.

Si tratta di un impianto complesso. Per produrre idrogeno verde ci sono quattro principali tecnologie: Membrana a scambio protonico (PEM), la Cella elettrolitica alcalina (AEC), membrana a scambio anionico (AEM) e Solid Oxide Electrolier Cell (SOEC). Le prime due sono le più sviluppate.

Oggi i costi di realizzazione degli elettrolizzatori sono elevati, ponendosi come secondo elemento critico di costo (l’altro è legato al costo dell’elettricità da fonti rinnovabili), ma riducibili anche sensibilmente. Nel report IRENA si mettono in luce le condizioni perché sia possibile ridurre i costi di investimento per impianti di elettrolisi dal 40% nel breve termine al 80% nel lungo termine. Queste strategie vanno dalla progettazione e costruzione dell’elettrolizzatore e dei singoli componenti. L’aumento delle dimensioni dei moduli e l’innovazione con l’aumento della produzione dello stack (la cellula dell’impianto dove avviene la scissione della molecola d’acqua in idrogeno e ossigeno) hanno un impatto significativo sui costi. Elevando la capacità dell’impianto da 1 MW (la taglia attuale) a 20 MW “potrebbe ridurre i costi di oltre un terzo”, segnala l’Agenzia.

Il costo, tuttavia, non è l’unico fattore che influenza dimensioni dell’impianto, poiché ogni tecnologia ha il suo design dello stack, che varia anche tra i produttori. Il design ottimale del sistema dipende anche dall’applicazione che guida prestazioni del sistema in aspetti quali l’efficienza e la flessibilità.

Servono poi diverse economie di scala: ovvero aumentare gli impianti nell’ordine dei gigawatt ridurrebbe ancor più i costi. Oggi lo stack rappresenta il il 45% del costo totale, ma a determinate condizioni può scendere al 30%.

Come raggiungere l’obiettivo?

Ma tutti questi obiettivi per essere raggiunti hanno bisogno sia dello sviluppo tecnologico, del sostegno politico-istituzionale e di investimenti. Sarà possibile? A giudicare dall’interesse per l’idrogeno verde è sperabile. Rimarca ancora IRENA che fino al 2019 solo cinque paesi avevano annunciato strategie sull’idrogeno. Un anno dopo lo hanno fatto quasi 20 e almeno altri 10 li avrebbero seguiti. Gli investitori del settore prevedono almeno 25 GW di capacità dagli elettrolizzatori entro il 2026. Tuttavia, è necessaria una crescita molto più ripida, nell’energia rinnovabile così come nella capacità di idrogeno verde, per soddisfare gli ambiziosi obiettivi climatici e mantenere l’aumento della temperatura media globale a 1,5°C.

Green hydrogen e progetti: gli annunci e i piani più recenti

In termini di obiettivi e progetti Europa e Giappone stanno dando vita, come detto all’inizio, al progetto NortH2, destinato a produrre fino a 4 milioni di kW di energia eolica offshore entro il 2030. Ne ha dato notizia Nikkei Asia, segnalando che l’energia deve poi alimentare il processo di elettrolisi dall’acqua di mare e che la sua produzione e uso dovrebbe ridurre le emissioni di carbonio da 8 a 10 milioni di tonnellate all’anno entro il 2040. Il progetto NortH2 è stato lanciato da un consorzio guidato dal colosso petrolifero olandese Royal Dutch Shell. L’Unione europea prevede di aumentare la capacità dei parchi eolici offshore di venticinque volte entro il 2050 e di versare 470 miliardi di euro (577,5 miliardi di dollari) nella sua strategia sull’idrogeno.

In Australia, un consorzio internazionale sta progettando uno progetto per la produzione di idrogeno verde da 70 miliardi di dollari nell’Australia occidentale, grazie all’energia elettrica prodotta da solare ed eolico per una capacità prevista da 50 GW.
Il proposto Western Green Energy Hub copre un’area di 15mila chilometri quadrati nel sud-est del Paese.

Anche in Kazakistan è stato annunciato dall’azienda svedese-tedesca di energie rinnovabili Svevind l’avvio di un impianto in grado di produrre green hydrogen a partire dall’energia solare ed eolica, contando su una capacità di 45 GW.

Andrea Ballocchi

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