Gli scenari geopolitici e la conseguente crisi energetica potrebbero avere la funzione di accelerare un processo già in atto da tempo; già nel passato per la verità, molti annunci sono stati fatti per una svolta verso una economia basata sull’idrogeno verde, senza che vi fosse un vero e proprio decollo.
Oggigiorno, tuttavia, vi sono diversi segnali che sembrano davvero indicare la presenza di un vero e proprio punto di svolta (tipping point). Complice l’abbassamento del costo delle rinnovabili, l’aumento di altre fonti energetiche, e soprattutto la sempre maggior consapevolezza geopolitica di una necessaria indipendenza energetica degli stati membri europei.
Non a caso la strategia EU sul piano energetico punta decisamente ad un incremento dell’idrogeno come vettore energetico con l’obiettivo di raggiungimento di traguardi importanti in termini infrastrutturali già nel 2030, e il passaggio di utilizzo di idrogeno nel consumo di energia dal 2% attuale, al 13-14% entro il 2050.
Proprio pochi giorni fa si è conclusa la settimana della European Clean Hydrogen Alliance che ha rilanciato e rafforzato il piano strategico per l’idrogeno; la sfida è di trasformare quella che oggi è già la leadership tecnologica Europea a livello globale, in una leadership anche commerciale come principale produttore e fornitore di idrogeno al mondo.
Stando alle stime industriali, una produzione annua di 10mln tonnellate di idrogeno richiederà una capacità installata di elettrolizzatori pari a 90-100 GW. La capacità attuale di produzione di elettrolizzatori in Europa è stimata intorno ai 1,75GW all’anno, e dunque vi è la forte necessità di un cospicuo aumento per centrare i rinnovati obiettivi. I maggiori produttori europei di elettrolizzatori sono pronti ad espandere i loro piani industriali, supportati e stimolati anche dalle nuove policy nel piano RePowerEU, al fine di raggiungere il target di 17,5GW annui nel 2025 e con ulteriore espansione prevista per il 2030.
L’idrogeno verde rappresenta dunque molto più di una semplice opportunità oggi per le strategie di crescita; rappresenta una vera e propria possibile strategia di politica industriale, sulla quale anche i fondi Europei, Next Generation EU e PNRR, stanno puntando. Vista la sua grande capacità di conservazione per lunghi periodi, e la sua vasta applicazione, anche nel settore chimico, l’idrogeno può davvero rappresentare un nuovo modello di sviluppo.
Essere consapevoli di ciò può essere fondamentale per cogliere possibili direttrici di sviluppo anche a livello locale.
Giorgio Laguzzi , Assessore allo Sviluppo Sostenibile, Città di Alessandria
[Per chi volesse approfondire alcuni aspetti, nel seguito riportiamo una relazione, curata con Franco Gavio, frutto di una sintesi di un articolo uscito su The Economist già lo scorso anno, e che oggi riprende ancora maggior vigore vista la situazione che ho descritto in questa breve riflessione.]
L’odierno business dell’idrogeno è, in termini globali, abbastanza limitato, molto inquinante ma essenziale. Ogni anno vengono prodotte circa 90 milioni di tonnellate di materiale, con un fatturato di oltre $ 150 miliardi, che si avvicina a quello della ExxonMobil. Ciò avviene quasi interamente bruciando combustibili fossili con aria e vapore, un processo che utilizza il 6% del gas naturale mondiale e il 2% del suo carbone ed emette oltre 800 milioni di tonnellate di CO2, portando le emissioni del settore allo stesso livello come quelle della Germania.
L’idrogeno pulito è tutto sommato possibile. L’attuale metodo per ottenerlo dai combustibili fossili potrebbe essere combinato con una tecnologia che separa l’anidride carbonica emessa e immagazzinandola sottoterra, un’opzione nota come cattura e stoccaggio del carbonio (CCS). In alternativa, i combustibili fossili potrebbero essere eliminati del tutto dal processo. L’elettricità generata da fonti rinnovabili o da qualche altra fonte pulita potrebbe essere utilizzata per far scindere le molecole d’acqua, liberando così il loro costituente: l’idrogeno e l’ossigeno. Un processo chiamato elettrolisi.
L’Hydrogen Council, un consorzio industriale, stima che circa 350 grandi progetti siano in corso a livello globale per sviluppare la produzione d’idrogeno pulito, impianti di distribuzione dell’idrogeno e impianti industriali che lo utilizzeranno per processi che attualmente impiegano combustibili fossili. Questi studi di fattibilità prospettano la fornitura di elettricità per decine e centinaia di gigawatt. Una quantità di consumo pari a quella dei grandi paesi, e da qui al 2030, dovrebbero ricevere $ 500 miliardi di investimenti pubblici e privati. Una montagna di denaro che potrebbe finire per mettere in imbarazzo i governi e far infuriare gli azionisti se le grandi aspettative di oggi non si concretizzano.
L’idrogeno godeva già credito dai suoi estimatori molto prima che il cambiamento climatico diventasse un problema. Una delle ragioni consisteva nel fatto che esso è molto denso di energia: bruciarne un chilogrammo fornisce 2,6 volte più energia rispetto a bruciare un chilogrammo di gas naturale. Il problema è che non esiste una fonte naturale d’idrogeno.
In natura la maggior parte dell’idrogeno è legato ad altre molecole come quelle dei combustibili fossili, della biomassa o dell’acqua. Le leggi della termodinamica impongono che produrre idrogeno da uno di questi precursori richiederà sempre d’inserire più energia di quanta se ne tragga impiegandolo direttamente. Ecco perché esso è oggi utilizzato per processi in cui l’aggiunta chimica di suoi atomi alle tre componenti di base è essenziale, come la produzione di ammoniaca per fertilizzanti ed esplosivi. Solo in applicazioni molto di nicchia, come i motori a razzo ad alte prestazioni, viene bruciato come combustibile.
Una scala cromatica internazionale – ricavata sulla base del criterio di sostenibilità ambientale – contrassegna il modo attraverso cui l’idrogeno viene prodotto.
L’idrogeno ad alte emissioni di oggi è noto come grigio, se prodotto con gas naturale, nero, se prodotto con carbone. Le stesse tecnologie con l’aggiunta di CCP sono conosciute come blu. Il prodotto ottenuto dagli elettrolizzatori che utilizzano energia rinnovabile è considerato verde; quello degli elettrolizzatori che utilizzano l’energia nucleare è rosa. L’idrogeno derivante dalla pirolisi, riscaldando semplicemente il metano fino a quando l’idrogeno viene estratto, liberando carbonio solido, è turchese. Attualmente, l’idrogeno grigio costa circa $ 1 al chilogrammo.
L’idrogeno verde, nel frattempo, costa oltre $ 5/kg in Occidente. In Cina, che utilizza tipicamente elettrolizzatori alcalini, più economici ma meno capaci di quelli preferiti in Occidente, i prezzi possono essere inferiori.
A giugno il Dipartimento dell’Energia americano presentò un’iniziativa denominata “Hydrogen Shot” che mira a ridurre il costo dell’idrogeno verde, rosa, turchese o blu di circa quattro quinti a $ 1/kg entro il 2030, un calo simile a quello visto nei pannelli solari e la produzione energetica dalle batterie. Inoltre, beneficerà di una serie di successivi venti in poppa derivanti principalmente dal continuo calo del costo dell’elettricità rinnovabile e dalla migliore efficienza da parte degli elettrolizzatori. Tutto ciò ha anche reso plausibile progettare e costruire elettrolizzatori molto più grandi di quelli precedenti, il che riduce il costo per chilogrammo.
I prezzi diminuiranno a causa di un continuo incentivo alla sperimentazione, proprio come nel settore solare. Oggi, il mondo produce circa tre gigawatt (gw) di capacità derivante dagli elettrolizzatori: un gigawatt è la potenza di una centrale nucleare o di un parco solare molto grande. La McKinsey prevede che si raggiungerà una capacità di oltre 100 gw entro il 2030. Infatti, il prezzo dell’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili sta precipitando e sembra destinato a continuare. Bloombergnef prevede che il prezzo dell’idrogeno verde utilizzando l’elettrolisi PEM potrebbe scendere a soli $ 2 per kg entro il 2030, rendendolo competitivo con l’idrogeno blu. Morgan Stanley va molto oltre, sostenendo che con le più raffinate tecniche introdotte per le energie rinnovabili in America, l’idrogeno verde sarà in grado di eguagliare $ 1/kg di idrogeno grigio “in 2-3 anni”.
Il paradosso termodinamico ci fa notare che la quantità di elettricità prodotta bruciando idrogeno in una turbina non può mai essere tanto quanto la quantità utilizzata per produrlo. Alimentando l’energia utilizzata per potenziare direttamente l’elettrolizzatore nella rete fornirebbe più kilowattora. Ma non tutti i kilowattora sono uguali. A volte le energie rinnovabili producono elettricità in eccesso, portando il suo prezzo a zero o addirittura al di sotto. In un sistema regolato con un prezzo del carbonio (carbon tax) potrebbe avere senso utilizzare l’idrogeno verde prodotto quando l’elettricità è a buon mercato per abbassare il costo di soddisfare l’approvvigionamento con le turbine a gas e soprattutto quando il prezzo dell’elettricità è caro.
Le grandi reti interconnesse aiutano molto, così come lo stoccaggio della batteria e la tecnologia smart-grid che riduce i carichi nel momento in cui si rende necessario. Ma per lo stoccaggio a lungo termine, in grado di gestire le differenze da stagione a stagione e persino di anno in anno, l’uso dell’idrogeno è vantaggioso rispetto a qualsiasi altro concorrente. Un intrigante progetto in corso nello Utah che coinvolge la filiale americana della Mitsubishi, una conglomerata giapponese, produrrà idrogeno da fonti rinnovabili locali, lo immagazzinerà nelle vicine caverne di sale e lo utilizzerà come combustibile per alimentare una gigantesca turbina che produrrà elettricità pulita che alla fine raggiungerà Los Angeles. L’ArcelorMittal, un colosso siderurgico europeo, ha recentemente impegnato $ 10 miliardi per ridurre le emissioni di gas serra mediante l’utilizzo dell’idrogeno.
Anche i processi industriali come i reattori chimici, le fornaci per cemento e la produzione del vetro richiedono temperature elevate, un requisito non sempre facilmente fornito dall’elettricità. In un recente rapporto sull’economia dell’idrogeno, l’Agenzia internazionale per l’energia (IEA), un think tank gestito dai governi del mondo ricco, rileva che l’idrogeno può già sostituire direttamente il gas naturale in alcuni processi. L’ammoniaca a volte può anche essere “inserita” come un facile sostituto.
Airbus, un produttore europeo di aeroplani, sta fornendo all’idrogeno il suo pieno sostegno. A settembre ha confermato un piano per alimentare gli aerei a idrogeno entro il 2035. Guillaume Faury, il capo dell’azienda, ne ha esaltato le virtù: “L’idrogeno ha una densità di energia tre volte confronto a quella del cherosene… [è] fatto per l’aviazione“.
In base al peso, questo è vero. Sulla base del volume, purtroppo, non lo è. Quindi, sebbene per chilogrammo possa trasportare tre volte più energia del cherosene, per litro ne trasporta 3.000 volte meno. Il gas può essere pressurizzato, il che aiuta, soprattutto per le applicazioni in cui i grandi serbatoi non sono un problema. Ma per arrivare a un fattore tre delle prestazioni del cherosene per litro, l’idrogeno deve essere liquefatto. Ciò richiede il raffreddamento fino a -253°C (-423°F).
Michael Liebreich, un guru dell’energia pulita, osserva che, man mano che ci si allontana dalle applicazioni in cui l’idrogeno ha chiari vantaggi rispetto all’elettricità rinnovabile, diventa più difficile vedere mercati seri per il gas. Per illustrare il suo punto ha sviluppato una “scala dell’idrogeno” che classifica gli usi da indispensabili a inaccessibili. Ma come sottolineano Liebreich e molti altri, questo non sembra sensato se la concorrenza è un’auto elettrica a batteria. Le celle a combustibile aumentano il prezzo e la complessità di un’auto elettrica senza offrire alcun vantaggio in termini di prestazioni. La francese Alstom, il più grande produttore di ferrovie al di fuori della Cina, sta già utilizzando treni a idrogeno in Germania.
Confrontandolo con l’industria delle energie rinnovabili, che potrebbe alimentare le reti esistenti, Heid di McKinsey paragona l’economia dell’idrogeno a un volano pesante: “Ci vuole di più per farlo girare, ma una volta avviato, funziona davvero“. Potrebbe anche aggiungere che far ruotare un volano è un affare complicato; se lo si lascia ruotare un po’ sbilanciato si rischia di farlo a pezzi.
Franco Gavio
Giorgio Laguzzi
Questa sintesi richiama a grandi linee e per sommi capi il “briefing” molto particolareggiato pubblicato dal settimanale The Economist il 09.10.21 inerente l’utilizzo dell’idrogeno e la sua compatibilità con gli attuali prezzi del mercato energetico.
https://www.economist.com/briefing/2021/10/09/creating-the-new-hydrogen-economy-is-a-massive-undertaking
