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Idrogeno verde: quale ruolo nella transizione energetica



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L’idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi dell’acqua con energia rinnovabile, rappresenta una soluzione che si candida a sostenere i processi di decarbonizzazione di settori industriali hard-to-abate e nel trasporto pesante. Per una sua adozione su larga scala è però necessario superare alcuni ostacoli economici e tecnici

Aggiornato il 9 lug 2024



Impianti per l'idrogeno verde nel mondo
Fonte: Statista. Impianti per l'idrogeno verde nel mondo

Per alcuni settori industriali, e in modo particolare per il mondo dell’industria hard-to-abate e per il trasporto pesante l’idrogeno verde si sta confermando una delle soluzioni più promettenti per gestire una transizione energetica che ha come obiettivo il raggiungimento di obiettivi di decarbonizzazione senza rinunciare alla competitività.

Prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua utilizzando elettricità da fonti rinnovabili, l’idrogeno si configura come un carburante pulito si distingue per le poenzialità di sostituzione dei combustibili fossili. Tuttavia, nonostante i tanti ed evidenti benefici ambientali, l’implementazione su larga scala dell’idrogeno verde è ostacolata da sfide economiche e da problematiche tecniche significative.

Idrogeno grigio, blu e verde

Prima di affrontare il tema dell’idrogeno verde è opportuno fare il punto sull’idrogeno che rappresenta l’elemento chimico più diffuso e più leggero e rappresenta una quota vicina al 90% della massa dell’universo. L’idrogeno è presente nell’ambiente nello stadio gassoso H2 ed è il combustibile delle reazioni termonucleari che accendono le stelle.

L’idrogeno è in realtà una familia nella quale coesistono tre diversi componenti: l‘idrogeno grigio, l’idrogeno blu e l’idrogeno verde.

L’idrogeno grigio è in larghissima maggioranza e costituisce più del 90% dell’idrogeno disponibile. La produzione di idrogeno grigio si ottiene grazie a un processo denominato Steam Reforming, con una tecnica che combina metano e quantità di calore, nell’ambito di un processo “grigio” che produce CO2.

L’idrogeno blu

L’idrogeno blu è un tipo di idrogeno prodotto attraverso un processo chiamato Reforming del gas naturale, che prevede la conversione del metano (CH4) in idrogeno (H2) e anidride carbonica (CO2). La caratteristica distintiva dell’idrogeno blu è che la CO2 generata durante questo processo viene catturata e immagazzinata, anziché essere rilasciata nell’atmosfera. Questa tecnologia di CCS Carbon Capture & Storage contribuisce a ridurre le emissioni di CO2, rendendo l’idrogeno blu una soluzione più sostenibile rispetto all’idrogeno grigio. L’idrogeno blu rappresenta anche una tappa intermedia verso l’adozione di idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi dell’acqua usando energia rinnovabile, e può giocare un ruolo importante nella transizione energetica verso un’economia a basse emissioni di carbonio.

Cos’è l’idrogeno verde e come si produce

L’idrogeno verde rappresenta un vettore energetico, ottenuto tramite elettrolisi dell’acqua utilizzando energia elettrica proveniente esclusivamente da fonti rinnovabili come eolico o solare, e si distingue per la sua assenza di emissioni di CO2 nel processo produttivo. La decomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno avviene attraverso celle elettrolitiche, che richiedono un’elevata efficienza tecnologica per ottimizzare l’uso dell’energia rinnovabile impiegata. Il risultato è un combustibile pulito che può essere utilizzato in vari settori, dall’industria pesante ai trasporti, senza generare CO2, contribuendo così in modo significativo alla riduzione della carbon footprint globale.

I benefici ambientali dell’idrogeno verde

L’idrogeno verde offre un ampio spettro di benefici ambientali che lo rendono una soluzione privilegiata nella lotta contro il cambiamento climatico. La sua produzione non comporta emissioni dirette di gas serra, contribuendo così alla decarbonizzazione dei settori industriali ed energetico. Inoltre, l’utilizzo dell’idrogeno come combustibile nelle celle a combustibile produce solo acqua come sottoprodotto, eliminando del tutto le emissioni nocive associate ai combustibili fossili tradizionali. Questo rende l’idrogeno verde particolarmente interessante per applicazioni nei trasporti pesanti e nell’industria chimica, dove altre tecnologie verdi possono risultare meno efficaci o difficilmente implementabili su larga scala. Per queste e per altra ragioni l’impiego diffuso dell’idrogeno verde potrebbe rappresentare un pilastro fondamentale nella costruzione di un futuro a basse emissioni. E una delle strategie per inquadrare le prospettive dell’idrogeno verde ha i suoi punti di riferimento nei principi della data driven energy.

Le sfide economiche e tecniche dell’idrogeno verde

Per una concreta implementazione di strategie e progetti basati sull’idrogeno verde occorre superare diverse sfide sia economiche sia tecniche. Il costo elevato della produzione rimane uno degli aspetti principali nel quale rientra il tema legato alla necessità di utilizzare grandi quantità di energia rinnovabile che impone di sostenere costi superiori rispetto alle alternative fossili o all’idrogeno “grigio”, prodotto tramite reforming del metano con conseguente rilascio di CO2.

Un altro aspetto riguarda le infrastrutture esistenti non ancora adeguate pronte a supportare una transizione completa all’idrogeno: dalla distribuzione allo stoccaggio fino all’utilizzo finale in settori chiave come quello dei trasporti pubblici o delle reti elettriche locali.

L'idrogeno verde svolge un ruolo fondamentale nella trasformazone sostenibile delle imprese più energivore

Le innovazioni tecnologiche volte a migliorare l’efficienza degli elettrolizzatori e ad abbattere i costi delle energie rinnovabili sono quindi alcuni dei fattori chiave per superare questi ostacoli economici e infrastrutturali.

Il ruolo dell’idrogeno verde nella transizione energetica

Se poi si guarda nello specifico alle sfide legate alla transizione energetica globale verso un futuro sostenibile, l’idrogeno verde è destinato ad occupare una posizione strategica. Si tratta infatti di un vettore energetico che come abbiamo visto permette una riduzione drastica delle emissioni nei settori hard-to-abate come quello siderurgico o chimico accanto a questo vantaggio l’idrogeno verde offre anche soluzioni innovative al problema dello stoccaggio delle energie rinnovabili intermittenti.

La capacità dell’idrogeno di immagazzinare energia sotto forma chimica rappresenta un asset utilizzabile anche per il bilanciamento tra domanda e offerta elettrica stagionale o giornaliera. Si tratta in questo caso di un aspetto estremamente rilevante in ragione della natura poco prevedibile e fluttuante delle fonti rinnovabili come il vento o il sole.

nel momento in cui viene integrato intelligentemente nei piani nazionali ed internazionali sull’energia pulita, l’idrogeno verde diventa in questo modo uno strumento centrale nei piani di decrabonizzazione.

L’Importanza dell’Idrogeno Verde per la transizione energetica nell’hard-to-abate

Mentre settori come l’energia elettrica e i trasporti leggeri stanno facendo progressi significativi verso la decarbonizzazione, esistono industrie che sono particolarmente difficili da trasformare. Questi settori, noti come “hard-to-abate” (difficili da ridurre) si riferiscono a processi produttivi che presentano significative difficoltà nel ridurre le emissioni di gas serra. Questi settori sono caratterizzati da una dipendenza elevata dai combustibili fossili e da processi tecnici complessi che rendono arduo l’abbattimento delle emissioni con le attuali tecnologie. Ne fanno parte industrie come:

  1. Acciaieria e Metallurgia: La produzione di acciaio e metalli richiede temperature molto elevate, ottenibili principalmente attraverso l’uso di carbone e altri combustibili fossili.
  2. Cemento: La produzione del cemento genera CO2 non solo attraverso l’uso di combustibili fossili per alimentare i forni, ma anche come sottoprodotto della trasformazione chimica del calcare.
  3. Chimica e petrolchimica: La produzione di composti chimici spesso comporta processi ad alta intensità energetica e reazioni che producono emissioni significative di gas serra.
  4. Aviazione e trasporto marittimo: Questi settori richiedono combustibili ad alta densità energetica per operare su lunghe distanze, rendendo difficile l’adozione di alternative a basse emissioni di carbonio.
  5. Raffinazione e produzione di petrolio e gas: Le operazioni di estrazione, trasporto e raffinazione di petrolio e gas naturale sono processi altamente energivori e generatori di emissioni.

Le strade per decarbonizzare l’hard-to-abate

  • Efficienza Energetica: con il miglioramento dell’efficienza dei processi per ridurre il consumo di energia.
  • Cattura e Stoccaggio del Carbonio (CCS): con le tecnologie per catturare la CO2 emessa e stoccarla in modo sicuro.
  • Elettrificazione: attraverso la sostituzione dei processi che utilizzano combustibili fossili con quelli alimentati da elettricità prodotta da fonti rinnovabili.
  • Idrogeno verde: grazie all’utilizzo dell’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili come combustibile alternativo.
  • Materiali innovativi: attraverso lo sviluppo di nuovi materiali o metodi di produzione che emettono meno CO2.

Idrogeno verde per la decarbonizzazione nel mondo siderurgico

La produzione di acciaio tradizionalmente richiede l’uso di carbone come agente riducente per trasformare il minerale di ferro in ferro metallico, un processo che genera elevate quantità di anidride carbonica. Una delle strade possibili per la decarbonizzazione di questo settore prevede l’utilizzo di idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi dell’acqua utilizzando energia rinnovabile, per sostituire il carbone in questo processo produttivo, riducendo drasticamente le emissioni di CO2.

L’innovazione principale risiede nella sostituzione del processo di riduzione diretta del ferro con l’idrogeno verde. Invece di emettere CO2, questo processo produce acqua come sottoprodotto, rendendolo più pulito. Diverse aziende siderurgiche stanno già sperimentando questa tecnologia per arrivare a produrre acciaio senza utilizzo di combustibili fossili entro il 2035 utilizzando idrogeno verde.

L’adozione diffusa dell’idrogeno verde nelle acciaierie potrebbe avere un impatto significativo sulla riduzione globale delle emissioni di gas serra. Secondo alcune stime, l’industria siderurgica è attualmente responsabile di circa il 7% delle emissioni globali di CO2. La transizione verso l’idrogeno verde potrebbe non solo ridurre questo impatto, ma potrebbe anche stimolare l’innovazione e creare nuove opportunità economiche nel settore delle energie rinnovabili e delle tecnologie pulite.

Trasporto pesante: le prospettive dell’idrogeno verde

Camion, autobus, treni non elettrificati e navi apaprtengono alla categoria dei mezzi di trasporto pesante che richiedono grandi quantità di energia, che percorrono tipicamente lunghe distanze che rendono particolarmente difficile l’adozione di soluzioni basate esclusivamente sull’elettrico. L’idrogeno verde si candida ad essere una soluzione valida e consistente per queste esigenze.

Uno dei principali vantaggi dell’idrogeno verde è la sua alta densità energetica, che consente di immagazzinare e trasportare grandi quantità di energia in modo efficiente. I veicoli a celle a combustibile a idrogeno o FCEV, Fuel Cell Electric Vehicles possono anche avere un’autonomia simile o superiore a quella dei veicoli tradizionali, con tempi di rifornimento a loro volta comparabili. Queste caratteristiche rendono l’idrogeno verde particolarmente adatto per applicazioni come il trasporto merci su lunga distanza e il trasporto pubblico urbano, dove la rapidità del rifornimento e l’autonomia sono critiche.

Diversi progetti sperimentali stanno dimostrando il potenziale dell’idrogeno verde nella mobilità pesante. Il settore ferroviario non elettrificato rappresenta a sua volta un’altra area di grande interesse e in Germania un treno alimentato a idrogeno, ha già iniziato a sostituire i treni diesel su alcune tratte, riducendo le emissioni di CO2 e migliorando la qualità dell’aria. A sua volta il trasporto marittimo sta esplorando l’uso dell’idrogeno verde, con progetti pilota come navi che utilizzano idrogeno prodotto a bordo tramite elettrolisi alimentata da energia solare e eolica.

Tipologie progettuali legate all’idrogeno verde

L’attenzione verso l’idrogeno verde si misura anche in termini di capacità di sperimentazione e di opportunità di adozione da parte delle imprese. In questo senso ci sono alcuni esempi che possono aiutare a comprendere quale scenario si dovrà affrontare. In Europa il progetto “HydroGen4Europe“, punta alla creazione di hub regionali interconnessi finalizzati sia alla produzione sia alla distribuzione di idrogeno su larga scala grazie alle risorse naturali locali. In Australia il progetto “HydroGEN”, è stato concepito per sfruttare il potenziale fotovoltaico del continente allo scopo di generare idrocarburi puliti. USA e Giappone a loro volta stanno investendo importanti risorse economiche nello sviluppo tecnico-logistico finalizzato alla creazione d’infrastrutture solide per creare le condizioni per un utilizzo multifunzionale dell’idrogeno verde entro prossimi due decenni. L’idrogeno verde rappresenta una risposta alle necessità di decarbonizzazione riducendo la dipendenza dalle fonti fossili.

Idrogeno verde: il progetto pilota ABB – Axpo

Con l’obiettivo di sviluppare impianti modulari di produzione di idrogeno verde e con la finalità di creare un nuovo modello operativo in grado di produrre idrogeno verde a prezzi accessibili ABB e l’utility svizzera Axpo hanno avviato una improtante collaborazione strategica. Le due aziende hanno scelto di unire competenze complementari e green skill: da un lato quelle delle tecnologie ABB nell’automazione, elettrificazione e digitalizzazione degli impianti industriali, e dall’altro quelle di Axpo come provider di energia. Studi di fattibilità per la riduzione dei costi operativi, per garantire basse emissioni di CO2, per identificare forme per luna produzione di idrogeno verde standardizzata, modulare, efficiente e flessibile.

Il progetto pilota nasce per affrontare il tema del costo di produzione in quanto rappresenta una delle principali barriere all’adozione dell’idrogeno verde al punto che è circa sei volte più costosa dell’idrogeno grigio e da due a tre volte più costosa dell’idrogeno ibrido “blu”, considerando che questi prodotti utilizzano combustibili fossili come fonte di energia. Per approfondire il progetto ABB – Axpo si suggerisce la lettura dell’articolo: Idrogeno verde, ABB e Axpo svilupperanno in Italia un progetto. pilota

Decarbonizzazione dell’acciaio con Idrogeno verde: la sperimentazione di Snam, TenarisDalmine e Tenova

La decarbonizzazione dell’acciaio guarda con crescente attenzione al ruolo dell’idrogeno e proprio su questo ambito è stata avviata una sperimentazione che vede la collaborazione tra Snam, TenarisDalmine e Tenova e che ha lo scopo di testare l’utilizzo di idrogeno nell’industria siderurgica.

Il progetto si sviluppa presso lo stabilimento di TenarisDalmine a Bergamo nel quale l’impiego di idrogeno verrà utilizzato per la lavorazione di prodotti in acciaio grazie alla collaborazione tra Snam, come operatore di infrastrutture energetiche, TenarisDalmine, società del gruppo Tenaris, attiva nei servizi per il mondo dell’energia e Tenova, azienda che opera nella fornitura di soluzioni sostenibili per la transizione green dell’industria metallurgica. Con questa sperimentazione, isi intende valutare le prestazioni e l’affidabilità dell’utilizzo dell’idrogeno nell’industria siderurgica e, più in generale, nei settori hard to abate maggiormente difficili da decarbonizzare. In particolare poi con questa sperimentazione Snam guarda alle prospettive di una strategia “Hydrogen as a Service”, ovvero un servizio che abilita l’impiego dell’idrogeno decarbonizzato all’interno di stabilimenti produttivi industriali o di altri ambienti in cui Snam punta a fornire in leasing il sistema d’elettrolisi che verrà operato dall’utilizzatore finale.

Per conoscere meglio questo progetto si suggerisce la lettura di Idrogeno per la decarbonizzazione dell’acciaio: parte la sperimentazione Snam, TenarisDalmine e Tenova

Lo scenario dell’industria dell’idrogeno

Secondo il World Energy Transitions Outlook 2023: 1.5°C Pathway di IRENA, International Renewable Energy Agency (QUI il report completo scaricabile gratuitamente n.d.r.) entro il 2050, il 94% dell’idrogeno sarà basato su fonti rinnovabili nello scenario di 1,5°C. L’idrogeno giocherà un ruolo chiave nella decarbonizzazione degli usi finali e per una maggiore flessibilità del sistema energetico. Lo Scenario di 1,5°C prevede che il consumo finale totale di energia diminuirà del 6% tra il 2020 e il 2050, grazie ai miglioramenti nell’efficienza, all’implementazione delle energie rinnovabili e ai cambiamenti nei comportamenti e nei modelli di consumo.

Sempre il rapporto di IRENA focalizza l’attenzione sul passaggio all’idrogeno verde e alla biomassa evidenziando che la domanda di idrogeno rinnovabile è destinata ad aumentare a 25 EJ a livello globale (equivalente a circa 180 Mt per anno di idrogeno).

Con l’obiettivo di rispettare i target fissati nello scenario che si prefifge di limitare la crescita di 1,5°C, gli investimenti in tecnologie di transizione e infrastrutture ammontano, secondo IRENA, a 150 trilioni di USD entro il 2050, pari a una media di 5,3 trilioni di USD all’anno.

In termini di settori destinati agli usi finali, gli investimenti in tecnologie di transizione ammontano a 73 trilioni di USD, pari a circa il 47% dell’investimento totale richiesto entro il 2050. Questo include investimenti in conservazione ed efficienza con 43 trilioni di USD, in elettrificazione con 16,6 trilioni di USD, nella produzione e uso diretto di tecnologie rinnovabili con 6 trilioni di USD e in idrogeno verde a cui sono destinati 4,7 trilioni di USD e infine rimozione del carbonio con 3 trilioni di USD.

Il valore economico dell’industria dell’idrogeno

Sulla base di una ricerca disponibile presso Statista l’industria globale dell’idrogeno ha generato un valore economico nel 2022 pari 183 miliardi di dollari. Le previsioni per il prossimo futuro, nell’orizzonte 2032, parlano di una crescita che è in grado di portare questa industria a un valore pari a 317 miliardi di dollari. Tra i settori che stano adottando soluzioni basate su questo vettore energetico ci sono quelle dell’energia, dei trasporti e della manifattura pesante.

Evoluzione del mercato dell'idrogeno nel mondo nel quale rientra la dinamica dell'idrogeno verde
Fonte Statista

Impianti per l’idrogeno verde: a che punto siamo nel mondo?

L’idrogeno verde è una sfida anche e soprattutto per garantire la scalabilità alle imprese che scelgono di adottarlo e la scalabilità deve essere garantita dalla disponibilità di impianti. Il paese che più crede nelle potenzialità di questo vettore energetico è senza dubbio l’Australia dove si trova il maggior numero di impianti di idrogeno verde al mondo. I dati della ricerca pubblicata da Statista risalgono al 2022 quando nel continente dei canguri erano presenti 96 strutture di questo tipo.

Impianti per l'idrogeno verde nel mondo
Fonte: Statista

Considerando che il fotovoltaico solare è il principale contributore alla produzione di energia rinnovabile in Australia, con circa 15,7 terawattora generati da impianti solari fotovoltaici su piccola scala, a cui si aggiungono 8,1 terawattora generati da impianti solari fotovoltaici su larga scala l’Australia può ipotizzare un abbassamento dei costi per la produzione di idrogeno verde entro il 2050.

Relativamente alle infrastrutture è interessante osservare il progetto Solvay e Sapio, a Rosignano l’hub europeo per la produzione di idrogeno verde in cui la collaborazione tra le due aziende contribuirà alla decarbonizzazione delle attività di produzione di perossidati, riducendo le emissioni di CO2.

Secondo la Strategia Nazionale dell’ Idrogeno, sono previsti in Italia investimenti fino a 10 miliardi di euro nella filiera dell’idrogeno, destinati a produzione, strutture di distribuzione e consumo e ricerca e sviluppo di tecnologie.

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