H2: un vettore green. Tecnologie e cenni regolatori

Se ne parla tanto: è l’H2. Grande versatilità di utilizzo e grandi potenzialità applicative per il raggiungimento della neutralità climatica al 2050.

Autore

Tiziana Perri

Data

6 Aprile 2023

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5' di lettura

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6 Aprile 2023

ARGOMENTO

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L’H2 (formula chimica della molecola di idrogeno) è l’elemento più abbondante dell’Universo: è presente nei carboidrati, negli idrocarburi e moltissimi composti chimici, organici e inorganici. E poi è nell’acqua, in forma liquida (il 70% del pianeta ne è ricoperto) e gassosa. Ma l’H2 in tutti questi composti è sempre presente come elemento legato chimicamente ad altri elementi chimici.

L’H2 in forma pura, gassoso, è nell’atmosfera solo per l’0,00005%. Il suo sfruttamento come vettore energetico, dunque, necessita della previa rottura di legami chimici e se deve rompere ciò che in natura è stabile a livello chimico-fisico, è necessario fornire energia. In altre parole, la produzione di H2 è un processo che richiede energia! Per questo l’H2 non è una fonte primaria di energia, ma un vettore energetico, cioè un mezzo per immagazzinare e trasportare l’energia. Il suo utilizzo è vantaggioso ai fini della decarbonizzazione, in quanto in grado di evitare immissioni di CO2 in atmosfera, come invece avviene per il gas naturale e gli altri combustibili fossili. 

Applicazioni, vantaggi e criticità

Oggi, la domanda complessiva di H2 in Europa è di circa 8,4 Mton annue, di cui il 49% è utilizzato dal settore della raffinazione, il 31% per la produzione di ammoniaca e il 5% per il metanolo 1. Mentre la produzione di H2 in Europa si attesta attorno alle 10,5 Mton annue, prevalentemente da impianti ‘captive’ di reforming da gas naturale situati nei siti di consumo (raffinerie), e gli impianti per la produzione di ammoniaca.

L’Italia, con circa 0,6 Mton annue di consumo di H2, è il quinto Paese europeo dove più del 70% della domanda viene dal settore della raffinazione, circa il 14% dal settore dell’ammoniaca e il resto dagli altri settori dell’industria chimica. L’H2 ha enormi potenzialità applicative, grazie alla sua grande versatilità come (Fig.1):

  • vettore energetico, per lo stoccaggio di energia elettrica e per il trasporto: è possibile produrre H2 dall’elettrolisi dell’acqua e stoccarlo; successivamente l’H2 può essere trasformato in energia elettrica tramite una fuel cell. Questo processo è utile per stoccare energia elettrica prodotta in eccesso (per esempio i picchi da FER), o in eccesso nella Rete Elettrica, in sostituzione dei sistemi di accumulo e di storage elettrici (la cui tecnologia è ancora in via di sviluppo), o per trasportala altrove;
  • biocarburante, per alimentare qualunque veicolo a motore endotermico a gas, o con motore elettrico e fuel cell 2. Sono già in commercio automobili con motore elettrico e fuel cell alimentate con H2 (Hyunday, Toyota), veicoli commerciali ed industriali, per il trasporto pubblico su gomma (es. Mercedes) e treni (Alstom);
  • combustibile, in alternativa ai gas fossili come il metano. Sono già in commercio caldaie domestiche a H2 (Baxi, Bosch)
Figura 1: Impieghi e vantaggi dell’H2 come vettore energetico
Fonte: https://hydrogeneurope.eu/wp-content/uploads/2021/11/Tech-Overview_Hydrogen-Applications.pdf

Ma le grandi potenzialità dell’H2 per il raggiungimento degli obiettivi al 2050 sono legate al suo impiego nei settori difficilmente elettrificabili come gli Hard-to-Abate industriali 3 e in alcuni segmenti del trasporto pesante su gomma, navale, aereo e su rotaia per le tratte non ancora elettrificate.

In realtà, la produzione di H2 non è sempre priva di emissioni di CO2: dipende dal processo di produzione. Una classificazione per colori è visibile nella Tab. 1

Tabella 1. Classificazione dell’H2 sulla base del processo di produzione

L’H2 verde si ottiene per elettrolisi della molecola dell’acqua (Fig.2)

Figura 2: schema di cella elettrolitica per la produzione di H2 a partire da H2O e relativa equazione chimica bilanciata 4 5

I prodotti della reazione (Fig.2) sono l’H2, l’ossigeno O2 e calore: nessuna emissione di gas serra poiché l’energia elettrica necessaria all’elettrolisi è prodotta da FER. L’intero processo è sostenibile dal punto di vista ambientale. Quindi, solo l’H2 VERDE è effettivamente efficace per la transizione energetica e il raggiungimento della neutralità climatica al 2050.

Un secondo vantaggio è che la produzione di H2 verde può essere uno strumento per ridurre la necessità di importare petrolio, gas metano, e carbone.

Tuttavia, vi sono criticità per una maggiore penetrazione dell’H2 nel mix energetico:

  • il costo di produzione: l’H2 verde deve diventare più conveniente. Prima del conflitto in Ucraina, nel 2021 il costo di produzione di H2 verde era di circa 6,5 €/kg, mentre il costo di produzione di H2 di origine fossile era di circa 1,50 euro/kg. Oggi, il costo dell’H2 verde non sovvenzionato è d 3,80 USD/kg nel 2022, a causa dei costi delle materie prime e dell’energia elettrica con cui l’H2 è prodotto, elevati per l’attuale scenario geo-politico ed energetico. Il prezzo dell’H2 rinnovabile scenderà se aumenterà la produzione attraverso gli elettrolizzatori e un basso costo dell’energie rinnovabili. L’obiettivo comunitario è di raggiungere gli 1,8 €/kg entro il 2030. 
  • La maturità tecnologica degli elettrolizzatori, ovvero i dispositivi elettrochimici per scindere le molecole di acqua in molecole di H2 e di O2. Le tecnologie per gli elettrolizzatori per produrre H2 verde sono 4. Le prime due sono già ben posizionate nel mercato. Le altre due offrono buone prospettive di sviluppo ma non sono ancora consolidate nel mercato (Tab. 2)
  •  La maturità dell’infrastruttura di stoccaggio, trasporto e distribuzione. L’H2 può essere stoccato come gas compresso. Le attrezzature necessarie sono un compressore e un serbatoio pressurizzato 6. Lo stoccaggio in serbatoi, pacchi bombole o carri bombolai ne consente il successivo trasporto su gomma o vagoni ferroviari, utile alla distribuzione locale. Per lunghe distanze, sono preferibili altri sistemi: il blending dal 2 al 10% nella rete del gas naturale, o per percentuali maggiori tramite il revamping delle infrastrutture esistenti 7; gli idrogenodotti di nuova costruzione a livello nazionale ed europeo; la liquefazione dell’H2 per il trasporto su navi; la realizzazione di una rete di distribuzione di H2 per il trasporto su gomma 8 e ferroviario, in stretto collegamento con gli idrogenodotti. Tranne che nel caso della compressione, stoccaggio e trasporto su carri o vagoni, le altre soluzioni sono tutt’ora poco mature, a livello infrastrutturale e regolatorio.
Tabella 2. Tecnologie per la produzione dell’H2 verde

Il ruolo dell’H2 verde verso gli obiettivi del 2050

La Commissione Europea ha individuato nell’H2 verde un pilastro della ripartenza economica sostenibile dalla crisi pandemica. Infatti, il settore dell’H2 è esplicitamente menzionato più volte nelle comunicazioni della CE9 10 11 12 13. In particolare, con la COM n.301/2020 14 la CE ha delineato la strategia per l’H2 per un’Europa climaticamente neutra. Essa prevede una forte crescita dell’H2 verde, con un incremento nel mix energetico fino al 13-14% entro il 2050 e un obiettivo di nuova capacità installata di elettrolizzatori pari a 40 GW a livello europeo. La priorità dell’UE è sviluppare l’H2 verde, usando principalmente energia eolica e solare, anche se nel breve e medio periodo si prevede di impiegare anche altre forme di H2 a basse emissioni di carbonio.

La strategia, recepita a livello nazionale dal PNIEC 15 e dalla Strategia Nazionale H2 del 2020 16, si sviluppa in tre fasi (Fig. 3)

Figura 3. Le 3 fasi previste dalla Strategia Nazionale H2 del 2020. Fonte https://www.mise.gov.it/images/stories/documenti/Strategia_Nazionale_H2_Linee_guida_preliminari_nov20.pdf

Il PNRR del 2021 prevede la Missione 2 – Rivoluzione Verde e Transizione Ecologica, che dispone di 59,46 Mld €. Con l’obiettivo M2C2-Transizione Energetica e Mobilità Sostenibile si dispone del fondo RRF, dei fondi React UE e del fondo complementare, per un totale di 25,36 Mld €. In particolare, nella M2C2.3Promuovere la produzione, la distribuzione e gli usi finali dell’H2, è prevista una dotazione di 3,19 Mld €, ripartiti in 5 investimenti:

  • Investimento 3.1: Produzione in aree industriali dismesse
  • Investimento 3.2: Utilizzo dell’H2 in settori hard-to-abate
  • Investimento 3.3: Stazioni di ricarica di H2 per il trasporto stradale
  • Investimento 3.4: Stazioni di ricarica di H2 per il trasporto ferroviario
  • Investimento 3.5: Ricerca e sviluppo sull’H2.

Con la Comunicazione COM (2022)108 REPowerEU22, l’UE ha dato un’ulteriore accelerata alla produzione e consumo di H2 verde al fine di raggiungere l’indipendenza energetica dal gas russo, stabilendo di massimizzare la produzione interna, importando 10 Mton di H2 in più da diverse fonti e aumentando la produzione in EU di 5 Mton.

Le Hydrogen Valley

Sono ecosistemi che includono sia la produzione che il consumo di H2 come carburante e combustibile. Sono previste dall’Investimento 3.1: Produzione in aree industriali dismesse (dotazione finanziaria nazionale di 500 M€), per accelerare la ricerca e l’applicazione delle tecnologie. Si intende identificare le migliori modalità di produzione, trasporto e stoccaggio di H2. Si tratta di aree geograficamente delimitate che sorgeranno per implementare e testare l’infrastruttura per l’alimentazione dei trasporti, del riscaldamento residenziale e industriale, del bilanciamento della rete.

La Basilicata è una delle cinque Regioni pilota che riceverà per il proprio progetto bandiera di produzione di H2 green 10 M€ aggiuntivi rispetto ai 18,5 M€ assegnati inizialmente dal bando (100% in conto capitale). Il Bando della Regione Basilicata è stato approvato con DGR n. 18 del 17 gennaio 2023 17.

A scadenza, sono stati presentate 12 proposte progettuali, attualmente in corso di valutazione.

Note

  1. Hydrogen Innovation Report-2022, https://hydrogeneurope.eu/in-a-nutshell/reports/
  2. Sistemi elettrochimici capaci di convertire l’energia chimica di un combustibile direttamente in energia elettrica medianteuna reazione in cui si consumano H2 e O2 o aria, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno.
  3.  Industrie di produzione dell’acciaio, le fonderie, l’industria chimica, ceramica, della carta e del vetro.
  4. https://www.geomagazine.it/2021/05/26/H2-elettrico-facciamo-un-po-di-chiarezza/
  5. Percorso di Approfondimento: H2 sfida e opportunità, Relatore: Ing. D. Palano, (https://www.clusterenergiabasilicata.it/wp-content/uploads/2023/02/H2_SFIDA-E-OPPORTUNITA-1.pdf)
  6.  Le pressioni richieste per la pressurizzazione arrivano in genere anche 700 bar, poiché l’H2 è un gas molto rarefatto
  7. L’H2 risulta corrosivo per l’acciaio, ne consegue la necessità di dotare le pipeline di layer interni isolanti. Tuttavia non è stata ancora varata una regolamentazione per il blending di H2 verde (o altro tipo) nella Rete Nazionale del Gas.
  8. È prevista la realizzazione di circa 40 stazioni di rifornimento per veicoli con sostegni del PNRR
  9.  Clean Energy Package18 adottato nel 2019, https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-strategy/clean-energy-all-europeans-package_en 
  10. COM, Il Green Deal Europeo, 640. 2019
  11. COM Pronti per il 55%: realizzare l’obiettivo climatico dell’UE per il 2030 lungo il cammino verso la neutralità climatica, 550, 2021
  12.  COM, Strategia annuale per la crescita sostenibile 2021, 575, 2020
  13.  Regolamento (UE) 2021/241 del Parlamento Europeo e del Consiglio, con cui è stato istituito il dispositivo per la ripresa e la resilienza
  14.  COM, Una strategia per l’H2 per un’Europa climaticamente neutra, 301, 2020, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/IT/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0301&from=EN
  15.  https://www.mise.gov.it/images/stories/documenti/WEB_ENERGIACLIMA2030.pdf
  16. https://www.mise.gov.it/images/stories/documenti/Strategia_Nazionale_H2_Linee_guida_preliminari_nov20.pdf
  17.  D.G.R. n. 18/2023 dell’avviso pubblico finalizzato alla selezione di proposte progettuali volte alla realizzazione di impianti di produzione di H2 rinnovabile in aree industriali dismesse, da finanziare nell’ambito del piano nazionale di ripresa e resilienza (PNRR), missione 2 ‘Rivoluzione verde e transizione ecologica’, componente 2 ‘Energia rinnovabile, H2, rete e mobilità sostenibile’, investimento 3.1 ‘Produzione in aree industriali dismesse’. 
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