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L’IDROGENO COME VETTORE ENERGETICO

16/03/2018
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Sviluppi tecnologici, stato dell’arte e prospettive per l’utilizzo dell’idrogeno nei trasporti e nei sistemi stazionari.

Andrea Casalegno, Presidente CEI CT 105
Mauro Scagliotti, Segretario CEI CT 105, Matteo Agostinelli, Politecnico Milano-Dip. di Energia

 

Negli ultimi anni l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico vede un forte e crescente sviluppo promosso dalla Unione Europea, tramite il Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU), da diversi Paesi, tra i quali spiccano Giappone, Germania, Corea del Sud, California, ma anche dalle industrie dei settori automobilistico, oil&gas e dei gas tecnici. Dimostrazione della concreta determinazione nello sviluppare una infrastruttura energetica basata sul vettore idrogeno sono da un lato, i significativi finanziamenti dei programmi di sviluppo nazionali, dall’altro le iniziative private, come la nascita del Hydrogen Council composto da 18 importanti aziende, che descrivono in una roadmap i passi che intendono percorrere per promuovere già dal 2030 un significativo utilizzo dell’idrogeno in diversi settori strategici e individuano gli attuali limiti che devono essere superati tramite l’intervento di governi nazionali.

Il nuovo scenario di sviluppo del sistema energetico che si prospetta prevede un incremento della produzione di energia da fonti rinnovabili, l’accumulo di energia elettrica con batterie elettrochimiche e tramite la produzione di idrogeno, l’utilizzo dell’idrogeno in sistemi stazionari di produzione di potenza, prevalentemente cogenerativi, in alcuni processi industriali e per i trasporti, soprattutto quello terrestre, in sinergia con veicoli esclusivamente elettrici.

Questo scenario, approfondito nel seguito dell’articolo, consentirà di ridurre l’impatto ambientale del settore energetico sia a livello di emissioni locali che globali, di incrementare la sicurezza della fornitura energetica ai diversi utenti, di promuovere l’utilizzo di risorse locali e di nuove tecnologie, favorendone lo sviluppo industriale.

Nei prossimi anni pertanto le tecnologie elettrochimiche, tra cui le celle a combustibile, assumeranno un ruolo strategico nei sistemi energetici nazionali e sovranazionali, richiedendo un significativo impegno degli enti di normazione tecnica e di armonizzazione.

L’accumulo di energia elettrica e la produzione di idrogeno

La necessità di aumentare notevolmente la quota di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili – fino al 68% nel 2050 secondo l’IEA – International Energy Agency richiede la disponibilità di un accumulo di lungo periodo. Tecnologie come le batterie al litio garantiscono tempi di intervento molto ridotti ma non permettono l’accumulo di grandi quantità di energia, con tempi di scarica non superiori ai giorni.

Al contrario, l’utilizzo dell’idrogeno garantisce un accumulo stagionale di energia elettrica, rendendo possibile un esteso ricorso alle fonti rinnovabili. Su larga scala, si è dimostrato che l’idrogeno può essere accumulato efficacemente in forma gassosa all’interno di caverne saline, con costi contenuti fino a 50 euro per MWh. Questa soluzione, viste le potenzialità in Europa, è significativamente investigata e promossa in progetti dimostrativi da FCH-JU. L’idrogeno permette inoltre di trasferire l’energia prodotta verso altri settori e regioni in modo efficiente: ad esempio, per distanze superiori a 4.000 km il trasporto di idrogeno via mare risulta più conveniente della trasmissione tramite la rete elettrica.

Numerosi progetti che prevedono l’idrogeno come vettore energetico sono tuttora in fase di sviluppo. In Germania, un consorzio di aziende e università ha investito 20 milioni di euro nella realizzazione di un elettrolizzatore per convertire l’energia eolica in eccesso e produrre circa 1.500 kg di idrogeno al giorno. In Olanda si sta valutando la conversione di un impianto da 1.320 MW per il funzionamento a idrogeno, mentre in Giappone diverse aziende stanno sviluppando tecnologie per l’accumulo e la conversione dell’idrogeno.

Gli obiettivi per il futuro sono ambiziosi e richiedono considerevoli investimenti. Secondo l’Hydrogen Council, verranno convertiti in idrogeno fino a 300 TWh di energia solare ed eolica in eccesso entro il 2030, raggiungendo la quota di 500 TWh nel 2050. Si prevede inoltre il trasporto via mare di 55 milioni di tonnellate di idrogeno e un accumulo di 3.000 TWh di energia rinnovabile in riserve strategiche.

 

L’utilizzo dell’idrogeno nel settore dei trasporti

L’obiettivo di ridurre del 40% le emissioni di CO2 entro il 2050 richiede modifiche radicali nel settore dei trasporti, ad oggi basato quasi interamente su combustibili fossili. La copresenza di diverse tecnologie è necessaria per far fronte ai requisiti di differenti segmenti di mercato. I veicoli basati su batterie al litio garantiscono efficienze elevate (fino al 35% se l’energia elettrica viene prodotta a partire da gas o carbone, 60% se prodotta da fonti  rinnovabili) ma, data la ridotta densità di energia (circa 0,6 MJ per kg), risultano particolarmente adatti in ambito urbano con veicoli di piccola taglia. Al contrario, i veicoli alimentati a idrogeno mediante celle a combustibile sono in grado di offrire autonomie maggiori, rappresentando quindi la soluzione ideale per automobili, camion, autobus e, in generale, tutti i veicoli che necessitano di percorrere lunghe distanze.

Per quanto riguarda i costi operativi, si prevede che tra il 2030 e il 2040 entrambe le tecnologie diventeranno più economiche rispetto ai motori a combustione interna, anche nel caso in cui il prezzo del petrolio rimanga ai valori attuali. In termini di emissioni di CO2 durante l’intero ciclo di vita del veicolo, i dati dell’EPA – EnvironmentalProtection Agency (USA) mostrano risultati incoraggianti: i veicoli a idrogeno possono raggiungere livelli pari a 60 g/km rispetto agli attuali 180 g/ km dei veicoli con motori a combustione interna. Ad oggi la tecnologia per i trasporti basati sull’idrogeno è matura.

Tre modelli di automobili sono già disponibili sul mercato e altri dieci saranno in produzione entro il 2020, mentre più di 450 autobus sono presenti in Stati Uniti, Europa, Giappone e Cina e si prevede che tale flotta supererà le 20.000 unità entro il 2030. Giappone, Corea del sud, California e Germania sono i Paesi leader nello sviluppo del- la mobilità a idrogeno, con l’obiettivo di alimentare a idrogeno un’auto su 12 entro il 2030 e sostituire il 20% dei treni diesel entro il 2050.

La diffusione su larga scala dei veicoli a idrogeno risulta possibile solamente se supportata da un adeguato sviluppo delle infrastrutture. Una flotta di 15 milioni di veicoli richiede la realizzazione di più di 15.000 stazioni di rifornimento entro il 2030. Diversi Paesi hanno annunciato investimenti in questo settore, per un totale di quasi 20 miliardi di dollari.

 

Sistemi stazionari

Se nel settore dei trasporti l’utilizzo dell’idrogeno permette di ridurre notevolmente le emissioni di CO2, risultati ancora più interessanti si possono ottenere nel caso di applicazioni stazionarie. L’energia richiesta dagli edifici residenziali e dalle industrie è infatti più del doppio rispetto a quella utilizzata per i trasporti.

Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica e termica per gli edifici, una soluzione di grande interesse sia dal punto di vista economico che ambientale è rappresentata dai sistemi cogenerativi con celle a combustibile alimentate a idrogeno. La maggiore efficienza di tali dispositivi rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica garantisce minori perdite legate al trasporto dell’energia e un conseguente calo della CO2 prodotta.

Nella prima fase dello sviluppo, la distribuzione dell’idrogeno può fare affidamento sull’attuale rete gas: è infatti possibile miscelare l’idrogeno con il gas naturale in quantità fino al 20% senza la necessità di modificare la rete esistente. Numerose iniziative sono in fase di attuazione per dimostrare la fattibilità di tali sistemi. Nel Regno Unito il progetto pilota “H21 Leeds City Gate” prevede di realizzare una rete idrogeno per rifornire 2.500 abitazioni tra il 2026 e il 2029, mentre in Germania, Italia e Svizzera il progetto “STORE&GO” ha come obiettivo la costruzione  di elettrolizzatori e impianti di metanazione per sfruttare l’energia eolica, solare e da biomassa. Secondo l’Hydrogen Council verranno distribuiti 3,5 milioni di tonnellate di idrogeno entro il 2030, con il 10% degli utenti che utilizza sistemi cogenerativi basati sull’idrogeno.

L’idrogeno è anche un elemento chiave al fine di ridurre l’impatto ambientale di alcuni processi industriali. Attualmente le industrie chimiche e le raffinerie utilizzano circa 55 milioni di tonnellate di idrogeno derivante da fonti fossili: la sostitu- zione con idrogeno proveniente da fonti rinnovabili o mediante cattura e sequestro della CO2 permetterebbe di evitare l’emissione di 440 milioni di tonnellate di CO2. Nel caso delle acciaierie, l’utilizzo dell’idrogeno come agente riducente in sostituzione al gas naturale eviterebbe l’emissione di 190 milioni di tonnellate di CO2 all’anno.

Si stima che entro il 2030 verranno prodotti 2,5 milioni di tonnellate di idrogeno da fonti rinnovabili per usi industriali.

 

Gli scenari di sviluppo in Italia

In Italia lo sviluppo e la diffusione di un sistema di trasporti basato sull’idrogeno è di fondamentale importanza. L’Italia è infatti uno dei Paesi dell’Unione Europea che registra il maggior numero di morti premature a causa dell’inquinamento atmosferico: nel 2012, 59.500 decessi sono attribuibili al particolato fine, 3.300 all’ozono e 21.600 al biossido di azoto.

Gli obiettivi per l’attuazione di un sistema di trasporto basato sull’idrogeno in Italia sono stati elaborati dall’associazione Mobilità Idrogeno Italia nel “Piano Nazionale di Sviluppo”, allegato al Decreto Legislativo 16 dicembre 2016, n. 257 sulla realizzazione di una infrastruttura per  i combustibili alternativi, in collaborazione con numerose aziende e università e prevedono l’introduzione di veicoli alimentati da celle a combustibile e stazioni di produzione e distribuzione dell’idrogeno. Si stima l’introduzione di 1.000 autovetture entro il 2020 per raggiungere una flotta di 27.000 entro il 2025, mentre verranno introdotti 100 autobus entro il 2020 per arrivare ad un totale di circa 1.100 nel 2025.

La crescente domanda di veicoli a idrogeno può essere soddisfatta solo se supportata da un adeguato sviluppo della rete di distribuzione. Nella fase iniziale (fino al 2030) l’idrogeno verrà prodotto principalmente mediante reforming del gas naturale, processo poco costoso e attualmente diffuso in ambito industriale. In seguito  la produzione avverrà mediante elettrolisi utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili, per una transizione verso la produzione di idrogeno a zero emissioni. È prevista la realizzazione di 20 stazioni di rifornimento entro il 2020 e 197 entro il 2025. Nella prima fase, verranno realizzate stazioni di piccola taglia (fino a 200 kg/giorno) al fine di garantire una copertura minima nelle principali arterie di trasporto. Nella seconda fase, è prevista solo la realizzazione di stazioni di gran- de taglia (500-1˙000 kg/giorno), più vantaggiose economicamente e in grado di sostenere la do- manda crescente di veicoli.

L’attuazione del piano di sviluppo dipende fortemente dalla disponibilità di finanziamenti pubblici e privati. Si stima che siano necessari investimenti per un totale di 47 milioni di euro fino al 2020 e circa 419 milioni nel periodo tra  il 2021 e il 2025. L’interesse manifestato da numerose aziende italiane per questo settore pone le basi per attribuire all’Italia un ruolo di primaria importanza a livello europeo nello sviluppo della mobilità alternativa.

In conclusione, le potenzialità dello scenario che si prospetta, se opportunamente colte dagli stati europei, possono rappresentare un significativo impulso allo sviluppo dell’industria europea di nuove tecnologie, un’occasione per aumentare l’utilizzo di risorse locali, incrementare la sicurezza dell’approvvigionamento di energia e contestualmente ridurre significativamente l’impatto ambientale del settore energetico.

 

Bibliografia

(1) Fch.europa.eu – Fuel cell and hydrogen techno logy: Europe’s journey to a greener world.

(2) Hydrogencouncil.com – Hydrogen Scaling up.

(3) MobilitàH2.it – Piano Nazionale di Sviluppo

(4) Decreto Legislativo 16 dicembre 2016, n. 257 Disciplina di attuazione della direttiva 2014/94 UE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 22 ottobre 2014, sulla realizzazione di una infrastruttura per i combustibili alternativi (GU Serie Generale n.10 del 13-01-2017 – Ordinario n. 3).

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