I 'colori' dell'idrogeno nella transizione energetica - ENEA
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FOCUS ENEA_
I ‘colori’ dell’idrogeno nella
transizione energetica
Da diversi decenni l’utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico e non solo come materia prima
dell’industria di processo, è considerato come un possibile elemento chiave per la decarbonizzazione dei
sistemi energetici. ENEA è da tempo impegnato nello sviluppo di processi e tecnologie relative all'intera
catena del valore dell'idrogeno, è capofila in numerosi progetti europei e ricopre ruoli di rappresentanza
in diverse iniziative e tavoli tematici di discussione nazionali ed internazionali.
DOI 10.12910/EAI2020-040
di Massimiliano Della Pietra, Stephen McPhail, Luca Turchetti, Giulia Monteleone, Dipartimento Tecnologie Energetiche
e Fonti Rinnovabili, ENEA (*)
D
opo essere stato protagoni- ad alcune sue interessanti caratteristi- “verde”, ovvero prodotto da fonti rin-
sta, negli ultimi decenni, che: è leggero, più facilmente imma- novabili senza emissioni climalteran-
di ondate cicliche di gran- gazzinabile a lungo termine rispetto ti, potrà ricoprire questo ruolo di pri-
de entusiasmo e profon- all’energia elettrica, reattivo, ad alto mo piano. Infatti, l’idrogeno prodotto
do scetticismo, l’idrogeno si è ora contenuto di energia per unità di dal reforming del gas naturale (“gri-
indiscutibilmente affermato come massa e può essere facilmente pro- gio”), dalla gasificazione del carbone
elemento chiave per la transizione dotto su scala industriale. Un altro (“nero”) e dalla lignite (“marrone”),
energetica ed è al centro delle agen- aspetto fondamentale è sicuramente che costituisce oggi complessivamen-
de politiche e delle strategie energe- la possibilità di utilizzare l’idrogeno te circa il 99% dell’idrogeno prodot-
tiche di numerosi Paesi del mondo per produrre energia “pulita”. Infatti, to a livello mondiale, è associato ad
e della Commissione Europea. Tra la combustione dell’idrogeno non è ingenti emissioni di anidride car-
queste vanno certamente ricorda- associata alla produzione di anidri- bonica. Risulta quindi evidente che
te “Renewable and Clean Hydrogen de carbonica (CO2) e non comporta i processi produttivi convenzionali
Challenge IC#8” nell’ambito della quindi emissioni climalteranti diret- basati sull’utilizzo di materie prime e
partnership Mission Innovation, te; inoltre, la combustione può esse- combustibili fossili dovranno essere
che, attraverso la collaborazione e re condotta per via elettrochimica in progressivamente dismessi, lasciando
il coordinamento internazionale, ha celle a combustibile, con efficienze il posto a processi innovativi basati
l’obiettivo di accelerare lo sviluppo di complessive superiori a quelle della sull’uso di fonti rinnovabili. Fino al
un mercato globale dell’idrogeno, e, a combustione termica e senza l’emis- raggiungimento di questo obiettivo,
livello Europeo, l’iniziativa IPCEI (Im- sione di ossidi di azoto. Infine, l’i- fissato dall’Unione Europea al 2050,
portant Projects of Common Europe- drogeno può essere ottenuto da una l’idrogeno “blu”, ovvero prodotto con
an Interest) sulle Tecnologie e Sistemi gamma ampiamente diversificata di processi convenzionali accoppiati a
ad Idrogeno. Per non dimenticare la fonti di energia rinnovabile, potendo sistemi di cattura e stoccaggio dell’a-
Clean Hydrogen Alliance, recente- così supportare lo sviluppo di sistemi nidride carbonica, contribuirà a sod-
mente annunciata dalla Commissione energetici resilienti. disfare l’incremento della domanda
Europea, con un ruolo chiave per il di idrogeno senza impatti sul clima,
raggiungimento della neutralità clima- L’idrogeno, vettore energetico per favorendo al contempo lo sviluppo
tica prevista per il 2050. la decarbonizzazione delle infrastrutture necessarie per l’in-
L’attenzione verso l’idrogeno come gresso dell’idrogeno verde nei sistemi
vettore energetico è da sempre dovuta Tuttavia, solo il cosiddetto idrogeno energetici. L’idrogeno non è una fonte
92 Energia, ambiente e innovazione | 2/2020
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Fig. 1 Evoluzione dei costi di produzione dell’idrogeno verde e dell’idrogeno grigio in Italia
di energia, ma un vettore energetico, carbon coke come agente riducente ne dopo, per il suo ruolo dominante
e come tale, per le sue caratteristiche, nella produzione dell’acciaio, consen- in Cina e rappresenta circa il 23% del-
ha un ruolo chiave nella decarboniz- tendo di soddisfare la crescente do- la produzione globale di idrogeno uti-
zazione dei diversi settori, energetico, manda di acciaio con minori emis- lizzando 107 Mt di carbone (2% del
industriale e della mobilità. Infatti, se sioni di anidride carbonica. consumo globale di carbone). Il pe-
prodotto tramite elettrolisi, da fonti di trolio e l’elettricità rappresentano la re-
energia rinnovabile, l’idrogeno “verde” L’idrogeno nero e grigio: ieri, oggi stante produzione. La dipendenza dal
è un vettore di energia intrinsecamen- e domani gas naturale e dal carbone si traduce in
te pulito ed è oggi considerato uno dei emissioni di CO2: 10 tonnellate di ani-
degli attori chiave per la transizione Il gas naturale è attualmente la fon- dride carbonica per tonnellata di idro-
verso un’economia a basse emissioni te primaria di idrogeno: con circa geno (tCO2/tH2) da gas naturale, 12
di carbonio. Inoltre, proprio perché 70 milioni di tonnellate di idrogeno tCO2/tH2 da prodotti petroliferi e 19
prodotto attraverso l’utilizzo di ener- prodotto utilizzando circa 205 mi- tCO2/tH2 da carbone. Ciononostante,
gia elettrica, rinnovabile, favorisce liardi di metri cubi di gas naturale la produzione di idrogeno da processi
l’integrazione delle reti di trasmissione (6% del consumo globale di gas na- di reforming non sarà rapidamente e
di elettricità e gas. In tal modo, ossia turale), rappresenta circa tre quarti completamente sostituita dall’idroge-
attraverso l’uso dell’idrogeno così pro- della produzione annuale mondiale no verde a causa dei costi elevati – oggi
dotto, sarà possibile decarbonizzare dedicata all’idrogeno. Il carbone vie- produrre idrogeno da elettrolisi dell’ac-
anche quei settori dell’economia che
non possono essere facilmente o diret-
tamente elettrificati, come ad esempio
l’industria pesante, l’aviazione, il tra-
sporto su strada o marittimo a grandi Vento Sole
distanze. L’idrogeno verde può essere
utilizzato tal quale, in miscela H2-CH4
(idrogeno-metano), o trasformato in Elettricità Fotoni Calore
CH4 sintetico attraverso un processo Processi Processi Processi Processi Processi
di metanazione della CO2.
elettrochimici ibridi fotoelettrochimici termochimici biologici
Oltre agli usi energetici, l’idrogeno ver-
de può contribuire alla decarbonizza- Acqua Biomassa
zione dei processi industriali venendo Elettrolisi
dell'acqua
Elettrolisi
del vapore
Cicli ibridi di
water splitting
Water splitting
fotoelettrochimico
Cicli termochimici
di water splitting
Termolisi
diretta
Steam
reforming Gassi�cazione Cracking Fermentazione
utilizzato come materia prima o fluido
di processo. Ad esempio, l’idrogeno
verde può essere utilizzato al posto del Fig. 2 Panoramica dei processi di produzione di idrogeno verde
2/2020 | Energia, ambiente e innovazione 93FOCUS ENEA_ qua costa ancora almeno il doppio di produrre idrogeno da metano [in Fi- gura 1 è riprodotto il grafico elaborato da SNAM, inserito in un position paper del 2019, relativo all’evoluzione dei costi dell’idrogeno verde e dell’idrogeno gri- gio] – ma anche perché la previsione al 2050 è di un mix energetico costituito ancora per il 75% circa da metano, con importazioni rilevanti di gas naturale dalla Russia e dalla Libia. È qui che en- trerà in gioco progressivamente l’idro- geno blu, prodotto dagli stessi processi di reforming, integrati con sistemi di cattura e sequestro della CO2 generata durante il processo stesso. L’idrogeno verde: oggi e domani Ad oggi, il processo maggiormente consolidato e tecnologicamente ma- Fig. 3 Impianto CoMETHy per la produzione di idrogeno mediante steam reforming turo per produrre idrogeno verde è a bassa temperatura alimentato da calore solare (Centro Ricerche ENEA Casaccia) l’elettrolisi dell’acqua alimentata con elettricità prodotta da tecnologie resto devono essere migliorati per Oltre all’elettrolisi, la ricerca interna- rinnovabili elettriche quali eolico e l’uso in questo nuovo campo. Inoltre, zionale sta esplorando nuove strade fotovoltaico. La principale strategia la possibilità di raggiungere elevate per la produzione di idrogeno verde, di integrazione consiste nella connes- pressioni operative porterebbe altri basate sull’uso di fonti rinnovabili sione dell’elettrolizzatore ad una rete importanti vantaggi energetici ed diverse come le biomasse o il calore con elevata quota di rinnovabili, con- economici. Tutte queste sfide posso- solare, in modo da sfruttare appie- siderando in particolare la possibilità no essere raccolte dagli elettrolizzato- no la flessibilità del vettore idrogeno di utilizzare la produzione di idro- ri alcalini con membrana a scambio rispetto al mix energetico ed al con- geno come mezzo di bilanciamento anionico (AEM), attualmente in fase testo produttivo locale. Ad esempio, della rete: in questo modo, tra l’altro, di sviluppo. Un altro fronte di inno- il calore rinnovabile ad alta tempe- è possibile favorire la penetrazione vazione in questo ambito riguarda ratura ottenuto in impianti solari a delle stesse fonti rinnovabili non pro- l’elettrolisi del vapore ad alta tempe- concentrazione può essere utilizzato grammabili nel sistema energetico. ratura, potenzialmente più efficiente per alimentare cicli termochimici di L’accoppiamento off-grid con la fonte dal punto di vista exergetico, ossia water splitting (ovvero scissione della rinnovabile risulta ad oggi meno con- che può utilizzare energia “meno pre- molecola di acqua in idrogeno ed os- veniente e più difficile da gestire, an- giata”, rispetto all’elettrolisi dell’acqua, sigeno). Sempre nell’ambito dei pro- che se comunque rilevante. A fianco perché permette di sostituire una par- cessi termochimici, è anche possibile dei più maturi elettrolizzatori alcali- te dell’elettricità necessaria per il pro- adattare i processi di produzione di ni, sono oggi disponibili sul mercato cesso con calore a bassa temperatura. idrogeno convenzionali basati sulla elettrolizzatori PEM, caratterizzati da Le celle elettrolitiche ad ossidi solidi, trasformazione di fonti carboniose una maggiore flessibilità, a fronte di operanti a temperature superiori ai (ad es. lo steam reforming) all’alimen- una minore efficienza. Nonostante l’a- 700 °C, sono oggi i sistemi di elettro- tazione con energia e materie prime deguata maturità degli elettrolizzatori lisi del vapore più maturi dal punto di rinnovabili, quali biogas o biometa- per le applicazioni industriali, quella vista tecnologico; più recentemente, no. Quest’ultimo approccio, che pre- relativa alle applicazioni energetiche è sono stati considerati sistemi di elet- suppone un cambiamento meno ra- inferiore e c’è ancora spazio per il mi- trolisi del vapore a carbonati fusi, ca- dicale nei sistemi produttivi rispetto glioramento di costi di investimento, ratterizzati da temperature operative agli altri considerati, potrebbe essere efficienza e vita utile; in particolare, la più basse (
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know-how e asset già disponibili. gia prodotta da fonte rinnovabile era secondo luogo, vanno affrontate la
ENEA ha raccolto la sfida dell’idro- considerato come il principale deter- complessità della catena del valore e
geno verde ed è in prima fila per lo rente per lo sviluppo dell’economia la necessità di sviluppo di un’infra-
sviluppo di processi di produzione dell’idrogeno. Con la rapida decresci- struttura adeguata al trasporto e alla
innovativi pienamente sostenibili ta del costo di produzione da fotovol- distribuzione. Infine, è necessaria la
basati su molte delle principali tec- taico ed eolico (meno 80% dal 2010 definizione di regolamentazioni e
nologie sopra elencate. In partico- al 2018 per il fotovoltaico in Italia; standard condivisi ed accettati a li-
lare, nell’ambito del proprio piano fonte: IRENA), che ormai, in diversi vello internazionale. È chiaro che la
triennale di realizzazione 2019-2021 contesti, risultano competitivi o ad- soluzione di questi problemi può es-
presentato per la Ricerca di Sistema dirittura più economici dei sistemi sere trovata solo attraverso uno sfor-
Elettrico, ENEA sta portando avanti basati su fonti fossili, risulta evidente zo condiviso e coordinato tra diversi
numerose linee di attività che mira- che le sfide da affrontare sono oggi di Paesi e settori produttivi.
no alla realizzazione e validazione, altra natura. L’agenzia Internazionale
su scala di laboratorio, di quattro dell’Energia (IEA) ha individuato tre (*) Massimiliano Della Pietra e Ste-
processi innovativi potenzialmente principali categorie di problemi da ri- phen McPhail, Laboratorio Accumulo
più efficienti dell’elettrolisi alcalina solvere affinché l’idrogeno assuma ef- di Energia, Batterie e tecnologie per
e PEM o in grado di essere alimen- fettivamente un ruolo da protagonista la produzione e l’uso dell’Idrogeno;
tati con fonti energetiche diverse. In nei sistemi energetici. In primo luogo Luca Turchetti, Laboratorio Sviluppo
particolare, le tecnologie considerate c’è l’incertezza politica e tecnologica: Componenti e Impianti Solari; Giulia
sono l’elettrolisi AEM, l’elettrolisi del attualmente molte applicazioni per Monteleone, Responsabile del Labora-
vapore in carbonati fusi, i cicli termo- l’idrogeno verde non sono competi- torio Accumulo di Energia, Batterie
chimici di water splitting e il reforming tive senza supporto pubblico e in as- e tecnologie per la produzione e l’uso
del biogas a bassa temperatura. senza di impegni chiari, vincolanti e dell’Idrogeno.
di prospettiva ragionevolmente lunga
Le sfide per lo sviluppo da parte dei Governi; lo sviluppo di
dell’idrogeno verde progetti innovativi potrebbe quindi
non essere sufficientemente attratti-
In passato, l’elevato costo dell’ener- vo dal punto di vista finanziario. In
BIBLIOGRAFIA
SNAM, The-H₂-challenge-Position-Paper, 10-11 ottobre 2019
IEA (International Energy Agency), The future of hydrogen, Report prepared by the IEA for the G20, Japan, giugno 2019
SIMTE report, Hydrogen production and logistics, Massimiliano Della Pietra, Stephen Mcphail, gennaio 2018,
http://simte.enea.it/tecnologie.php?idSettore=1&idBrief=58#card
Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition. Report IRENA, settembre 2018
IRENA, Renewable Power Generation Costs in 2018, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2019
2/2020 | Energia, ambiente e innovazione 95Puoi anche leggere
