Per noi, in quanto ingegneri dell'elettronica di potenza, proprio come nella visione di Jules Verne, l'energia dell'idrogeno si ottiene tramite l'elettrolisi di idrogeno e ossigeno, seguita dall'utilizzo di una cella a combustibile per generare elettricità. In realtà, la produzione globale di idrogeno tramite elettrolisi è inferiore al 4%, poiché oltre il 94% è prodotto da risorse fossili, principalmente carbone e gas, mentre la produzione trascurabile da biomassa e altre fonti rappresenta solo il 2%.
Il 70% della produzione mondiale totale di idrogeno viene estratto dal gas naturale, in particolare dal metano. Questa estrazione viene effettuata utilizzando un processo chiamato "steam reforming", che impiega vapore ad alta temperatura (700 °C - 1.000 °C) per produrre idrogeno. Se la CO2 non viene catturata, il processo di steam reforming è responsabile di elevate emissioni di gas serra. Si stima che la produzione globale di idrogeno rilasci circa 830 milioni di tonnellate di anidride carbonica nell'atmosfera.
È qui che ci troviamo oggi, con l'enigma "idrogeno verde: mito o realtà?" che alimenta il dibattito. Ma le cose stanno cambiando e ci stiamo avvicinando sempre di più alla visione di Jules Verne.
Le sfumature dell'idrogeno:
per semplificare la comprensione dei diversi metodi di produzione e del loro impatto ambientale, l'industria ha codificato l'idrogeno con diversi colori. In pratica, si utilizzano comunemente quattro categorie principali: marrone, grigio, blu e verde. Occasionalmente compaiono delle sottocategorie; ad esempio, l'idrogeno prodotto da elettrolizzatori alimentati da centrali nucleari viene talvolta chiamato "rosa", ma si tratta più di una distinzione aneddotica che di una distinzione di fatto.
Idrogeno marrone:
Il colore marrone è stato attribuito all'idrogeno estratto dal carbone tramite gassificazione. In questo processo, il materiale a base di carbone viene convertito in una miscela di monossido di carbonio, idrogeno e anidride carbonica. La gassificazione viene effettuata a temperature molto elevate (>700 °C) senza combustione, utilizzando una quantità controllata di ossigeno e/o vapore. Il monossido di carbonio reagisce quindi con l'acqua per formare anidride carbonica e altro idrogeno attraverso una reazione di conversione gas-acqua. Il gas risultante da questo processo è chiamato syngas. L'idrogeno prodotto con questo metodo è noto come marrone (lignite) o nero (bituminoso) a seconda del tipo di carbone utilizzato. Tuttavia, questo processo è altamente inquinante, poiché sia la CO2 che il monossido di carbonio non possono essere riutilizzati e vengono rilasciati nell'atmosfera.
Idrogeno grigio:
Oggi, l'idrogeno grigio rappresenta la maggior parte della produzione. Oltre il 70% dell'idrogeno prodotto a livello mondiale è classificato come idrogeno grigio. Il processo di produzione più comune utilizza il reforming del metano con vapore (SMR). In questo processo, il vapore ad alta pressione reagisce con il metano, producendo idrogeno e CO2, un gas serra. Questo processo genera circa 9,3 kg di CO2 per kg di idrogeno, una quantità inferiore rispetto all'idrogeno marrone, sebbene rappresenti comunque una quantità considerevole se rilasciata nell'atmosfera.
Idrogeno blu:
quando la CO2 prodotta con i metodi sopra descritti viene catturata e stoccata nel sottosuolo tramite la cattura e lo stoccaggio industriale del carbonio (ICS), il processo di produzione risulta meno dannoso per l'ambiente, sebbene sia più costoso e meno efficiente rispetto ai metodi convenzionali. L'idrogeno blu è considerato un passo importante nella transizione energetica verso l'idrogeno verde e la stragrande maggioranza delle nuove unità di produzione è soggetta a rigidi controlli in termini di impatto ambientale. Tuttavia, nonostante i significativi miglioramenti rispetto all'idrogeno marrone e grigio, tra il 10 e il 20% della CO2 non può essere catturata e viene rilasciata nell'atmosfera.
Idrogeno verde:
a livello globale, la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua è molto limitata, inferiore al 4%, ma è la tecnica più conosciuta, che alcuni di noi ricorderanno dalle lezioni di chimica a scuola. Utilizzando l'elettricità, l'idrogeno viene prodotto scindendo le molecole di H2O in idrogeno e ossigeno. Nel caso dell'idrogeno verde, l'elettricità viene generata da fonti di energia rinnovabile (meno dell'1%). In questo processo, gli elettrolizzatori sono il "capolavoro" e vengono utilizzati da decenni con un'efficienza media del 73% (rispetto al 65% del reforming a vapore). Per quanto riguarda l'approvvigionamento energetico, migliorare l'efficienza è chiaramente fondamentale per ridurre i consumi e i costi. L'intensa ricerca a livello mondiale mira a raggiungere un'efficienza di conversione del 95%, un obiettivo che non siamo affatto lontani dal conseguire.
Idrogeno in Europa: situazione attuale.
Siamo tutti consapevoli delle sfide climatiche e dell'Accordo di Parigi, adottato il 12 dicembre 2015 da 196 Parti alla COP21 di Parigi. L'accordo ratificato è entrato in vigore il 4 novembre 2016. L'Accordo di Parigi abbraccia la visione di sfruttare appieno lo sviluppo e il trasferimento tecnologico sia per rafforzare la resilienza ai cambiamenti climatici sia per ridurre le emissioni di gas serra.
In risposta alle sfide legate ai cambiamenti climatici, la Commissione europea ha annunciato il cosiddetto "Green Deal europeo" nel dicembre 2019, con l'obiettivo di trasformare l'UE in una società equa e prospera con un'economia moderna, efficiente nell'uso delle risorse e competitiva, che raggiunga emissioni nette zero di gas serra entro il 2050 (Figura 01). Il Green Deal europeo rappresenta anche un'ancora di salvezza di fronte alla pandemia di COVID-19. Un terzo degli investimenti di 1.800 miliardi di euro previsti dal piano di ripresa "NextGenerationEU" e dal bilancio settennale dell'UE finanzierà il "Green Deal europeo".
Per raggiungere questo obiettivo, sono state avviate numerose attività, tra cui lo sviluppo e l'attuazione di una strategia europea per l'idrogeno. Questa strategia, pubblicata nel luglio 2020, definisce una visione su come l'UE possa rendere l'idrogeno pulito una soluzione praticabile per la decarbonizzazione di diversi settori nel tempo, installando almeno 6 GW di elettrolizzatori per la produzione di idrogeno rinnovabile nell'UE entro il 2024 e 40 GW entro il 2030.
Un coordinamento completo tra autorità pubbliche, industria, società civile e comunità scientifica è fondamentale per sostenere questa strategia. Sono state create diverse partnership per facilitare le sinergie e l'attuazione delle strategie.
Alleanza europea per l'idrogeno pulito:
nell'ambito della Nuova strategia industriale per l'Europa, l'Alleanza europea per l'idrogeno pulito (ECH2A) è stata lanciata nel luglio 2020, all'interno del quadro della strategia sull'idrogeno per un'Europa a impatto climatico zero. L'Alleanza europea per l'idrogeno pulito
mira a sviluppare e implementare l'idrogeno come vettore energetico valido e competitivo in Europa. L'Alleanza sostiene l'attuazione della strategia sull'idrogeno per un'Europa a impatto climatico zero, lavorando allo sviluppo di una catena del valore dell'idrogeno completa e accessibile in tutta l'UE. Ciò sarà realizzato, tra l'altro, attraverso un programma di investimenti e un pool di progetti, nonché mobilitando risorse e azioni per installare elettrolizzatori di idrogeno rinnovabile al fine di raggiungere i suddetti obiettivi di 6 GW e 40 GW.
Nell'aprile 2021, la Commissione europea ha inviato un invito agli oltre 1.000 membri dell'Alleanza europea per l'idrogeno pulito, invitandoli a presentare progetti per tecnologie e soluzioni per l'idrogeno rinnovabile e a basse emissioni di carbonio. La seconda edizione dell'European Hydrogen Forum si è tenuta nel giugno 2021, registrando ben 1.052 progetti, di cui 997 soddisfacevano i criteri di ammissibilità. Questo dato riflette il forte impegno dell'industria europea nell'accelerare lo sviluppo dell'idrogeno in Europa.
L'impresa comune europea per le celle a combustibile e l'idrogeno.
Riconoscendo l'importanza di sviluppare elettrolizzatori efficienti, la Commissione europea ha agevolato la creazione della Piattaforma europea per le tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile nel 2003. Il suo obiettivo era quello di collegare la ricerca pubblica e privata e promuovere iniziative per accelerare lo sviluppo di tecnologie efficienti per le celle a combustibile e l'idrogeno.
Sulla base di questa iniziativa, il Consiglio dell'Unione europea ha istituito l'impresa comune per le celle a combustibile e l'idrogeno (impresa comune FCH) nel maggio 2008. Il suo obiettivo era quello di contribuire all'attuazione del Settimo programma quadro, in particolare ai temi specifici del programma "Cooperazione" per "Energia", "Nanoscienze, nanotecnologie, materiali e nuove tecnologie di produzione", "Ambiente (compresi i cambiamenti climatici)" e "Trasporti (compresa l'aeronautica)".
Tra i progetti e le iniziative, spicca uno studio particolarmente interessante commissionato dalle joint venture Clean Sky 2 e Fuel Cells & Hydrogen 2, incentrato sul potenziale utilizzo dell'idrogeno nel settore aeronautico. L'utilizzo dell'idrogeno in aeronautica richiederà significative innovazioni tecniche e nuove infrastrutture, ma è considerato un importante passo avanti nella riduzione delle emissioni di CO2 del settore aeronautico. Il costruttore aeronautico Airbus ha partecipato allo studio, ed è interessante notare l'ambizione dell'azienda di sviluppare il primo aereo commerciale a zero emissioni al mondo entro il 2035 (Figura 02).
Dalle piccole alle grandi dimensioni, l'idrogeno si sta facendo strada.
Passo dopo passo, con costanza ma inesorabilmente, l'idrogeno verde sta diventando realtà e il numero di elettrolizzatori installati è in rapida crescita. Ovviamente, sarebbe difficile elencare tutti i progetti, ma vale la pena menzionarne alcuni per illustrare la situazione attuale.
Svezia - Mariestad ElectriVillage
Situato nella Svezia meridionale, sulle rive del lago Vänern, il comune di Mariestad ha sviluppato un concetto per creare un ecosistema energetico sostenibile basato su energie rinnovabili e idrogeno. Il progetto originale prevedeva un ampio impianto di pannelli solari per alimentare degli elettrolizzatori che avrebbero generato idrogeno per una stazione di rifornimento autonoma per auto e veicoli commerciali. Esplorando l'ampia gamma di possibilità offerte da questa tecnologia, la stazione potrebbe anche utilizzare l'idrogeno immagazzinato per alimentare una cella a combustibile e generare elettricità. L'ossigeno risultante dal processo di scissione negli elettrolizzatori viene catturato e immagazzinato per applicazioni mediche, industriali o agricole. Questa stazione autonoma è un buon esempio di ciò che potrebbe essere implementato su scala più ampia e persino per generare idrogeno per altri veicoli come i treni pendolari (illustrazione 03).
Germania - Wesseling: Il più grande elettrolizzatore PEM dell'UE.
Nell'ambito del consorzio europeo REFHYNE e con finanziamenti UE tramite la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH Joint Undertaking), i più grandi elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio protonico (PEM) d'Europa hanno iniziato a funzionare presso il parco energetico e chimico Shell nella Renania, vicino a Colonia. Gli elettrolizzatori della Renania utilizzeranno energia elettrica rinnovabile per produrre fino a 1.300 tonnellate di idrogeno verde all'anno, e sono previsti ampliamenti della capacità degli elettrolizzatori da 10 a 100 megawatt (Figura 4).
Questi due esempi riflettono la portata delle iniziative sull'idrogeno in Europa e, soprattutto, considerando l'elevato numero di progetti, pongono l'Europa come protagonista nella transizione energetica e nella decarbonizzazione dell'industria.
In conclusione,
dopo decenni di interesse per l'idrogeno, siamo finalmente entrati in una nuova era. L'Europa ha iniziato il suo impegno per l'idrogeno più di 20 anni fa e il Green Deal ha stimolato la ricerca, la cooperazione e la diffusione. Non c'è dubbio che l'Europa abbia fatto grandi passi avanti verso il raggiungimento dell'obiettivo del 2050 e anche altri Paesi stanno accelerando le proprie strategie sull'idrogeno. Negli Stati Uniti, sotto la guida di Joe Biden, sono in corso attività significative. Come annunciato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), un finanziamento di 52,5 milioni di dollari sosterrà 31 progetti per promuovere le tecnologie di nuova generazione per l'idrogeno pulito e supporterà la recente iniziativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE, volta a ridurre i costi e accelerare i progressi nel settore dell'idrogeno pulito. Questi sono chiari segnali che l'idrogeno è una componente chiave della strategia di transizione energetica degli Stati Uniti.
L'idrogeno non è più un mito, né la visione di Jules Verne: "Un giorno l'acqua verrà usata come combustibile, e l'idrogeno e l'ossigeno che la compongono, usati singolarmente o insieme, forniranno una fonte inesauribile di calore e luce, di un'intensità che il carbone non è in grado di raggiungere" diventerà realtà.
Riferimenti:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Green Deal dell'UE:
https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
Idrogeno UE:
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en
Alleanza europea per l'idrogeno pulito
https://www.ech2a.eu/
Impresa comune dell'UE per le celle a combustibile e l'idrogeno
https://www.fch.europa.eu/
Mariestad ElectriVillage (video Youtube)
https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1
AIRBUS ZEROe
https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html
Germania – Impianto di elettrolisi REFHYNE PEM di Wesseling
https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html
Informazioni su Powerbox:
Fondata nel 1974, con sede centrale in Svezia e presente in 15 paesi in quattro continenti, Powerbox serve clienti in tutto il mondo. L'azienda si concentra su quattro mercati principali: industriale, medicale, trasporti/ferroviario e difesa, per i quali progetta e commercializza sistemi di conversione di potenza di alta qualità per applicazioni esigenti. La missione di Powerbox è quella di sfruttare la propria esperienza per migliorare la competitività dei clienti, soddisfacendo tutte le loro esigenze energetiche. Ogni aspetto dell'attività aziendale è focalizzato su questo obiettivo, dalla progettazione dei componenti avanzati che costituiscono i suoi prodotti alla fornitura di un elevato livello di assistenza clienti. Powerbox è riconosciuta per le sue innovazioni tecniche che riducono il consumo energetico e per la sua capacità di gestire l'intero ciclo di vita del prodotto, minimizzando al contempo l'impatto ambientale. Powerbox è una società del Gruppo Cosel.
Informazioni sull'autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox, è un ingegnere altamente qualificato ed esperto con 35 anni di successi nel settore dell'elettronica di potenza. È stato un pioniere nella commercializzazione di nuove tecnologie come l'energia digitale e le iniziative tecniche per la riduzione del consumo energetico. Le Fèvre è autore e ha presentato numerosi white paper e articoli alle principali conferenze internazionali sull'elettronica di potenza. Questi sono stati pubblicati oltre 350 volte da testate giornalistiche di tutto il mondo. Partecipa inoltre a diversi forum ambientali, condividendo la sua esperienza e conoscenza nel campo delle energie pulite.
Patrick Le Fèvre,
Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox
