Fra elettrico e idrogeno

di Giovanni Graziani

Al centro dei temi della transizione ecologica vi è, senza dubbio, quello dell’energia. L’energia è alla base di tutte le attività industriali, sociali, di svago e di utilità, ed è uno dei fondamenti necessari per il mantenimento del benessere della società. Allo stesso tempo l’impatto ambientale legato alla sua produzione, distribuzione e utilizzo è tale da necessitare una drastica revisione del sistema energetico nel suo complesso.

In Italia, l’energia consumata proviene ancora per circa l’80% da fonti fossili e per circa il 20% da fonti rinnovabili. Di questa energia solo il 21% è energia elettrica per gli usi finali (dati 2020).

Quando si parla di energia è inoltre utile spiegare come il sistema sia strutturato nelle varie fasi:

• La fase di produzione, per lo più effettuata con grandi impianti che utilizzano fonti fossili per la generazione di energia elettrica e da tanti piccoli impianti per la produzione di energia termica (le caldaie sostanzialmente).
• La fase di stoccaggio, ove possibile, utile per la gestione dei carichi e dell’andamento delle richieste di consumo, presente solo in piccola parte e per lo più grazie a bacini idroelettrici con sistemi di pompaggio e alla prima diffusione di sistemi di accumulo a batteria, ancora molto limitata.
• La fase di distribuzione, per il trasporto dell’energia prodotta, tramite rete elettrica nazionale per l’energia elettrica e piccole reti locali di distribuzione di vapore o acqua calda (teleriscaldamento) e, in rari casi, in cui l’energia termica prodotta non è solo consumata direttamente in prossimità del luogo di produzione.
• La fase di consumo all’utente finale, attraverso la propria rete elettrica domestica o industriale a valle del proprio contatore o l’impianto termico per il riscaldamento degli ambienti (tubazioni e sistemi di emissione, radiatori, fan coil, radianti, ecc.) o ancora l’impianto termico industriale per l’utilizzo di vapore o acqua calda in processi industriali. In tale fase, possiamo far rientrare anche l’utilizzo finale per la mobilità, in cui il combustibile (vettore energetico) è trasformato direttamente nel mezzo utilizzato per lo spostamento (moto, auto, camion, aereo, ecc.), nel modello “tradizionale”.

Chiarito,come usiamo l’energia, dobbiamo sottolineare che nella discussione sulla decarbonizzazione del sistema energetico, vari studi e scenari puntano sostanzialmente l’attenzione su due aspetti (più uno):

1. incremento della quota di fonti rinnovabili sul totale dell’energia prodotta e consumata;
2. sostanziale crescita della quota di energia elettrica per soddisfare gli usi finali, unitamente a una riduzione dei consumi totali, eliminando sprechi e usi superflui (azione ancora più prioritaria).

Questo comporta quindi:

• di rivedere completamente il nostro sistema di produzione di energia elettrica, abbandonando progressivamente la produzione tramite centrali termoelettriche basate su combustibili fossili a vantaggio di impianti fotovoltaici ed eolici diffusi sul territorio, sia di tipo domestico che di taglie medio-grandi
• sul lato della domanda, la conversione ad impianti che utilizzano energia elettrica per soddisfare bisogni che ad oggi sono invece coperti con fonti fossili, come ad esempio nella mobilità (che oltre a una riduzione generale dell’uso del mezzo privato necessita di spostarsi su vetture elettriche) e nella produzione di calore per il riscaldamento (passando alle pompe di calore).

Questo passaggio presenta alcune criticità da superare e su cui migliorare, per lo più relative all’intermittenza e non programmabilità della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili e alla conseguente necessità di gestire le differenze tra produzione e consumo attraverso sistemi di accumulo e stoccaggio, insieme alla gestione intelligente dei carichi.

Tra le varie soluzioni che possono essere d’aiuto in questa sfida vi è senza dubbio l’idrogeno, che può giocare un ruolo rilevante e sul quale l’Unione Europea ha presentato obiettivi molto ambiziosi, pubblicando nella sua strategia per l’idrogeno un target di 40 GW di capacità di elettrolizzatori al 2030, la cui capacità mondiale attuale e di 0,3 GW.

L’Italia stessa ha destinato all’idrogeno, all’interno del PNRR, 3,2 miliardi di euro e vorrebbe raggiungere al 2030 circa 5 GW di capacità elettrolitica, in linea con i piani di Francia e Germania. Vediamo meglio quindi come questo potrebbe avvenire.

Nell’obiettivo di spingere la decarbonizzazione verso una maggior produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, si avrà una produzione di energia elettrica che, in alcuni momenti del giorno o dell’anno, sarà superiore alle necessità della domanda. È qui che può diventare interessante utilizzare tale energia elettrica in eccesso in un elettrolizzatore per la generazione di idrogeno, scomponendo le molecole di acqua, trasformandola quindi in energia chimica che sarà così immagazzinata. Produrre idrogeno può diventare una delle soluzioni più interessanti e praticabili per superare il problema dell’intermittenza delle fonti rinnovabili.

Avremmo così a disposizione un vettore energetico da poter impiegare in diverse applicazioni, grazie alla sua versatilità, in particolare in quei settori per i quali è più difficile immaginare l’elettrificazione: pensiamo al trasporto pesante su terra, all’aviazione, alle grandi navi e alla siderurgia. La ricerca in questi settori è in grande fermento con alcune applicazioni operative interessanti, come il treno a celle combustibile, alimentate a idrogeno, prodotto dalla Alstom, funzionante sulle linee tedesche e in arrivo anche in Italia entro il 2023 (https://www.alstom.com/it/press-releases-news/2020/11/alstom-fornira-i-primi-treni-idrogeno-italia). Nel settore aereo, Airbus sta progettando alcuni velivoli alimentati a idrogeno che potrebbero, stando alle loro dichiarazioni, entrare in commercio nel 2035.

Altrettanto importanti possono essere le applicazioni nella siderurgia, comparto industriale altamente inquinante ma strategico (come spesso le cronache di Taranto ci hanno ricordato). Qui l’idrogeno può essere utilizzato al posto del carbone nella reazione di riduzione degli ossidi ferrosi in ferro metallico.

Al di là delle possibili applicazioni, al giorno d’oggi il problema però è che quasi la totalità dell’idrogeno prodotto a livello mondiale proviene da fonti fossili (idrogeno grigio), attraverso un processo di reforming dal metano (reazione chimica ad alta temperatura tra vapore acqueo e metano che ha come prodotti idrogeno gassoso e ossidi di carbonio) o da carbone. Questo avviene per motivi essenzialmente economici: costa infatti circa 1-2 dollari al kg, rispetto ai 3-7 dollari al kg per l’idrogeno verde prodotto da rinnovabili. La sfida sarà quella di perfezionare la tecnologia e aumentare in modo consistente la grandezza degli elettrolizzatori che, insieme al calo dei costi dell’elettricità da rinnovabile, permetterà di produrre idrogeno verde a prezzi competitivi.

Per completezza di analisi, esiste anche una via intermedia, il cosiddetto idrogeno blu, strada fortemente spinta dall’industria legata ai fossili perché consentirebbe di produrre idrogeno dal metano in modo “relativamente pulito” separando la CO₂ e confinandola all’interno dei giacimenti di gas esauriti.

In conclusione, possiamo dire che l’idrogeno può avere un ruolo importante nella transizione del sistema energetico verso la decarbonizzazione, solamente se connesso allo spostamento della produzione di energia elettrica verso le rinnovabili. Tale obiettivo deve essere primario e porterà maggiori benefici in senso assoluto, lasciando all’idrogeno un ruolo chiave nei settori hard-to-abate (“difficili da abbattere”), ma comunque di nicchia rispetto all’elettrificazione diretta.

Per descrivere il ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica Giulio Mattioli, esperto in decarbonizzazione dei trasporti e ricercatore dell’Università di Dortmund, usa una metafora: