Il ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica

Perché si sente parlare di idrogeno così spesso e quale ruolo può realmente avere nella decarbonizzazione.

Perché si parla di idrogeno

Gli obiettivi di decarbonizzazione, imposti dal tentativo di contrastare il cambiamento climatico, richiedono enormi cambiamenti che andranno a rivoluzionare tutti i settori in cui la società moderna è strutturata. Abbiamo parlato a questo proposito del ruolo dell’elettrificazione dei consumi, per permettere una capillare penetrazione dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. Uno dei temi di cui si discute di più è fino a che punto convenga, o se sia possibile, elettrificare tutto. È un confronto che avviene tecnologia per tecnologia e che riguarda, tra gli altri, aspetti come fattibilità tecnica ed economica, maturità tecnologica, strategie industriali, sicurezza energetica e geopolitica energetica e delle risorse. Negli ultimi anni si è parlato molto, ed in alcuni casi forse troppo, di idrogeno. L’idrogeno infatti ha una serie di proprietà che lo rendono adatto a moltissimi utilizzi differenti, tanto da essere presentato a volte come coltellino svizzero dell’energia [1].

Semplificando, nel parlare di decarbonizzazione le caratteristiche fondamentali che rendono l’idrogeno interessante sono tre:

• Può essere prodotto da acqua ed elettricità senza emettere CO2

Sebbene l’idrogeno sia l’elemento più comune in natura, non si trova, almeno sul nostro pianeta, puro. Ad oggi, per la maggior parte viene prodotto dal gas naturale (idrogeno grigio), in un processo che comporta il rilascio in atmosfera di anidride carbonica. L’alternativa è produrlo scindendo gli atomi di idrogeno e ossigeno dell’acqua, tramite il processo di elettrolisi. Nel caso in cui l’elettricità utilizzata nel processo provenga da fonti rinnovabili, si parla di idrogeno verde, prodotto senza causare emissioni di CO2.

• Ha una logistica simile a quella del gas naturale

Essendo un gas a temperatura ambiente, sotto molti aspetti potrebbe essere gestito in modo simile al gas naturale: immagazzinato per lunghi periodi di tempo, trasportato tramite l’equivalente di metanodotti e navi metaniere. Tuttavia, ciascuna di queste attività ha delle complicazioni tecniche ulteriori nel caso dell’idrogeno, a volte tali da comprometterne la fattibilità.

• Può essere usato per produrre elettricità e calore senza emissioni di CO2

L’idrogeno può essere usato come combustibile in una reazione che comporta solo emissioni di acqua, poiché sono assenti gli atomi di carbonio presenti nei combustibili fossili (ad esempio H2 invece di CH4). Inoltre l’idrogeno può essere convertito in energia elettrica con un’ efficienza di circa il 60% nelle celle a combustibile, anche in questo caso senza emettere CO2.

Hydrogen ladder

Rispetto al gran numero di possibilità di impiego dell’idrogeno, è fondamentale comprendere che la possibilità di fare qualcosa non significa che quella debba essere effettivamente la strada da perseguire. È la tesi alla base di una serie di contributi di Micheal Liebreich, fondatore di Bloomberg NEF [2]. Liebreich ha affrontato il tema in modo sistematico per la prima volta a metà 2020, con due articoli in cui proponeva la sua visione, cercando di separare l’hype dalle reali prosepettive di sviluppo del settore [3, 4]. Successivamente, ha proposto una classificazione delle applicazioni dell’idrogeno in funzione della probabilità di successo nei diversi ambiti [5]. La hydrogen ladder ha avuto un certo successo tra gli addetti ai lavori perché sintetizza molte e complesse considerazioni in una visualizzazione pratica e di facile comprensione, sostituendo la metafora del coltellino svizzero e introducendo delle valutazioni di merito sulle diverse applicazioni.

Hydrogen ladder – Sistema energetico

L’aumento del consumo di elettricità dovuto all’elettrificazione dei consumi richiederà capacità di immagazzinamento di energia per lunghi periodi di tempo. Non si tratterà solo di fornire capacità di back-up in assenza di sole o di vento, ma anche di aumentare la resilienza del sistema in caso di disastri meteorologici, attacchi informatici o fisici, interruzione delle interconnessioni con paesi confinanti.

L'idrogeno può essere immagazzinato in caverne saline, giacimenti di gas esauriti e come gas compresso o liquefatto, per poi essere riconvertito in elettricità con un'efficienza elettrica pari o superiore al 60%. L’immagazzinamento non è tuttavia privo di complessità ed esistono svariate soluzioni alternative su diverse scale.

Per quanto riguarda l'importazione di energia pulita, i gasdotti per l'idrogeno sono un modo economico di importare energia, a patto che quello che hai nel Paese A sia idrogeno (o ammoniaca o fertilizzanti), e quello che usi nel Paese B sia idrogeno. Il problema è che si tratta di casi limite. In futuro, ciò che si avrà in abbondanza sarà elettricità pulita nel Paese A, e necessità di elettricità pulita nel Paese B. Sebbene sia certamente possibile importare energia convertendola in idrogeno, le perdite nei diversi passaggi – comprimerlo o liquefarlo, trasportarlo, immagazzinarlo, e infine rigenerare energia – sono enormi. Applicazioni più specifiche potrebbero riguardare le reti elettriche di piccole isole o l’utilizzo come gruppi di continuità, nei casi cioè in cui sia necessaria alimentazione per un numero di giorni superiore a quelli che possono essere garantiti da batterie. Non avrà senso invece utilizzare l'idrogeno per servizi di rete a breve termine: demand-response (ne abbiamo parlato qui) e batterie sono soluzioni più economiche e semplici dell'idrogeno.

Hydrogen ladder – Aviazione e trasporti marittimi

L'aviazione a medio e lungo raggio sarà impossibile da elettrificare, a causa di limiti fondamentali nella fisica delle batterie. Anche l'idrogeno, tuttavia, soffre di limitazioni fondamentali (l’esempio riportato da Liebreich è che si potrebbe volare da Londra a New York con un aereo a idrogeno, a patto di avere altri due aerei al seguito che trasportino l'idrogeno!). Sarà possibile utilizzare un certo volume di carburanti sintetici a base di idrogeno, mentre per il resto dovremo usare biocarburanti.

I traghetti locali che percorrono tratte fino a poche centinaia di chilometri sono i più propensi a passare all'elettrico, mentre le navi costiere e fluviali, che operano su tratte da poche centinaia a circa mille chilometri, sono un mercato molto promettente per l'idrogeno.

Hydrogen ladder – Trasporti su terra

È stato uno dei punti più controversi e discussi: è difficile pensare ad un utilizzo dell'idrogeno in contesti che non siano di nicchia, poiché non solo è inefficiente trasformare l'elettricità in idrogeno, comprimerlo, immagazzinarlo, spostarlo, e poi riconvertirlo in energia a bordo di un veicolo, ma i veicoli a celle a combustibile sono anche più complicati e hanno costi di manutenzione elevati. L'unico aspetto in cui le auto a idrogeno sono migliori è la possibilità di rifornimento rapida durante i viaggi lunghi. In generale, però, è evidente che le auto a idrogeno non saranno mai una realtà (fascia G).

I treni e gli autobus locali non percorrono abbastanza chilometri perché l'idrogeno abbia dei vantaggi. Per le tratte ferroviarie più lunghe, in particolare quelle rurali, le celle a combustibile possono funzionare, ma resta comunque più conveniente elettrificare i binari o installare una batteria sul treno.

Anche il tipo di distanza percorso dai camion regionali si presta più a veicoli elettrici a batteria. Per i camion e i pullman a lunga percorrenza, invece, si potrebbe pensare di costruire un'intera infrastruttura per il rifornimento di idrogeno, oppure investire in una serie di sistemi di ricarica ad alta capacità. La seconda soluzione sembra tuttavia più facile da immaginare

Per i treni remoti – categoria molto di nicchia, tipo quelli lunghi un chilometro che trasportano minerali su binari non utilizzati da nessun altro – l'idrogeno potrebbe battere le batterie.

Rimangono i veicoli fuoristrada: livellatrici utilizzate nelle miniere e nei lavori stradali, gru, macchine edili, veicoli forestali. Si tratta di veicoli che operano in ambienti dove generalmente non ci sono grandi connessioni alla rete elettrica: l'idrogeno sembra un'opzione interessante in questo caso.

Hydrogen ladder – Riscaldamento

L’idea fondamentale qui è che “le pompe di calore moltiplicano, l'idrogeno divide”. Le pompe di calore infatti non generano calore, come nel caso della combustione, ma lo spostano. Quando usate per il riscaldamento, spostano il calore dalla fonte fredda, l’aria esterna, a quella calda, l’interno della casa. Questo processo avviene consumando circa 1 di elettricità per spostare 3 di calore. La stessa energia usata per generare idrogeno e usare dunque l’idrogeno per il riscaldamento, ha un’efficienza complessiva di circa il 50%. Per ottenere lo stesso effetto si consuma quindi sei volte più energia: quando si tratta di nuove case, le pompe di calore vincono.

Ci possono essere alcuni edifici dove non è possibile installare pompe di calore: edifici storici, molto lontani dalla rete, irrimediabilmente pieni di spifferi o altro. Quindi il riscaldamento domestico è una F, e non una vera e propria G.

Il riscaldamento commerciale invece è una E: nelle proprietà commerciali si potrebbero affermare sistemi ibridi, usando l'elettricità per la maggior parte del tempo ma passando all'idrogeno per alleggerire la rete durante i periodi di freddo più intenso.

Anche il calore industriale a bassa e media temperatura, fino a 160°C (e forse oltre), sarà fornito in modo molto più economico dalle pompe di calore. Per il calore ad alta temperatura invece, se la giocheranno idrogeno e elettricità, processo per processo, impianto per impianto; per questo è una D.

Del tutto inutile, invece, la miscelazione dell'idrogeno nella rete del gas, che non compare nella scala perché non è un caso d'uso per l'idrogeno, ma un modo per immagazzinarlo e spostarlo.

Perché enfatizzare i limiti dell’idrogeno

Pur riconoscendo il ruolo di primo piano dell’idrogeno nella transizione energetica, lavori come quello di Liebreich sono fondamentali per aiutare la società a capire quali siano le reali potenzialità e i campi di applicazione in cui ha senso investire. Il discorso pubblico risente pesantemente del condizionamento di gruppi di interesse forti ed organizzati: le società petrolifere vedono infatti nell’idrogeno un elemento di continuità rispetto al proprio know-how e ai propri modelli di business, ma la loro forte influenza politica potrebbe portare a scelte sbagliate, che avrebbero come unico effetto il rallentamento del processo di decarbonizzazione.

Fonti di riferimento

[1] https://www.gatesnotes.com/Energy/Clean-Hydrogen

[2] https://www.liebreich.com/bio/

[3] https://www.linkedin.com/pulse/clean-hydrogen-ladder-v40-michael-liebreich/

[4] https://about.bnef.com/blog/liebreich-separating-hype-from-hydrogen-part-one-the-supply-side/

[5] https://about.bnef.com/blog/liebreich-separating-hype-from-hydrogen-part-two-the-demand-side/

Pietro Lubello è laureato in Ingegneria energetica, sta conseguendo il dottorato presso l’Università degli Studi di Firenze. È stato Visiting Researcher all’Université de Liège, in Belgio. Si occupa dello sviluppo di modelli open-source per il supporto alla definizione di politiche energetiche. Profilo Twitter qui.