Attuali e futuri impieghi dell'idrogeno: le opportunità sulle quali intervenire

La produzione di idrogeno è ben consolidata essendo ormai da molti anni indirizzata prevalentemente ai settori industriali che lo utilizzano come materia prima. Si tratta di un mercato che vale attualmente quasi 160 miliardi di dollari all’anno, pari a circa 120 Mt di idrogeno, la maggior parte del quale è destinata al settore chimico per la produzione di ammoniaca e metanolo, per la raffinazione e la desolforazione dei combustibili.

Ci sono anche altri settori dell’industria che utilizzano l’idrogeno, tra i quali le acciaierie, i produttori di vetro, di componenti elettronici o chimici che tuttavia rappresentano una quota marginale della domanda totale. A causa del bilancio negativo sul piano energetico (per produrre l’idrogeno occorre impiegare più energia da altre fonti di quella che se ne ricava), attualmente solo meno dello 1% dell’idrogeno prodotto viene utilizzato come vettore energetico, principalmente da alcuni impianti chimici per produrre plastica e fertilizzanti.

Come già visto esaminando i processi di produzione dell’idrogeno, per più del 95% viene ricavato usando combustibili fossili (25% da carbone, 70% da gas naturali), con consistenti emissioni di CO₂. In Cina prevalgono la gassificazione del petrolio e del carbone, in Australia quella del carbone, mentre nel resto del mondo viene impiegato il reforming del metano (SMR). Solo circa il 4% del totale di idrogeno prodotto viene attualmente ricavato dall’elettrolisi dell’acqua con processi basati su cloro-alcali, mentre per il rimanente 1% vengono usate altri metodi.

Per l’idrogeno la trasformazione da materia prima a vettore di energia

Stando alle previsioni, favorita anche dagli incentivi voluti a livello politico spinti dalla necessità di ridurre le emissioni di CO₂ e la dipendenza dai detentori di grandi giacimenti di combustibili fossili, la domanda globale di idrogeno aumenterà in modo consistente con tassi di crescita di almeno il 15% annuo per la prossima decade, destinandolo pressoché tutto agli impieghi come vettore di energia e producendolo con processi a bassa o nulla emissione di CO₂. Alcune stime sono persino arrivate ad attribuire al mercato dell’idrogeno un aumento di quasi il 600% da qui ai prossimi dieci anni!

Attualmente, l'industria è uno dei maggiori consumatori di energia. In alcune industrie, come per esempio nella raffinazione del petrolio, i combustibili fossili sono la materia prima del processo stesso. Il combustibile fossile può quindi essere impiegato per ricavarne l’idrogeno da utilizzare come base dei prodotti chimici desiderati. Un esempio di questo è l'ammoniaca (NH₃) ricavata dal metano (CH₄).

In altri casi, i combustibili fossili vengono utilizzati per creare le condizioni richieste dai processi di produzione (tipo le temperature dei forni), come ad esempio negli altoforni per la trasformazione del ferro in acciaio. In entrambi i casi, ovvero tanto nell’industria siderurgica quanto in quella chimica, è idealmente possibile sostituire i combustibili fossili con l'idrogeno per ridurre le emissioni di CO₂ e di gas a effetto serra, ma è indispensabile che le condizioni economiche lo consentano, quindi che venga abbattuto l’attuale costo dell’idrogeno, specialmente di quello verde. A questo proposito, diventa estremamente interessante pensare di riconvertire gli altoforni dell’acciaieria exILVA di Taranto, super contestata per gli alti livelli di inquinamento generati, in altoforni a idrogeno, facendolo arrivare via gasdotti mediterranei così come ipotizzato da un interessante progetto nato da una collaborazione italo-egiziana, o producendolo in loco creando grandi parchi eolici o fotovoltaici che illustreremo in un prossimo post interamente dedicato ai progetti già attivati in Italia.

In rapida rassegna, gli impieghi di tipo industriale dell’idrogeno spaziano dalla chimica (oltre alla già citata ammoniaca, una parte cospicua viene assorbita dalla produzione di resine), alla raffinazione (per l’idrocracking e la desolforazione dei combustibili), dalla siderurgia alla produzione di vetro, di alimenti (idrogenazione di grassi), semiconduttori e per il raffreddamento dei generatori elettrici.

Un secondo settore, attualmente poco praticato ma con prospettive davvero significative è quello dell’edilizia, sia per gli impianti di riscaldamento che possono essere alimentati usando gli attuali metanodotti, con alcune modifiche o accorgimenti tipo la miscelazione con lo stesso metano per ridurne i consumi e le emissioni, che vedremo in un prossimo post, sia per l’accumulo di energia elettrica, in sostituzione degli attuali sistemi basati su batterie al nichel o altri componenti chimici. Questo perché gli accumulatori di energia basati sull’impiego dell’idrogeno, rispetto alle batterie più o meno sofisticate, sono in grado di creare stoccaggi di capacità notevolmente più grandi e stabili nel tempo.

Un terzo segmento di consumi, quello che parte dai valori più modesti ma che presenta i tassi di crescita maggiori è l’impiego dell’idrogeno come combustibile sia per i mezzi di trasporto sia per altri contesti tra i quali, ad esempio, nelle turbine per la produzione di energia elettrica in sostituzione del gas.

Già da anni, l’idrogeno viene comunemente impiegato come combustibile propellente nei razzi aerospaziali, mentre si sta aprendo a grandi passi verso altri veicoli, andando dalle auto ai treni, alle navi, agli aerei, tutti settori che saranno oggetto di prossimi post dedicati. 

Qui lo scenario si apre in due, con percorsi separati ma paralleli. Da un lato ci saranno i motori in grado di usare direttamente l’idrogeno come combustibile. Dall’altro ci saranno quelli che useranno l’idrogeno per produrre l’elettricità destinata ad alimentare i veicoli con motori elettrici. Un tema molto complesso e articolato sul quale è bene fissare l’attenzione sia sul piano tecnologico sia su quello delle infrastrutture e della competizione sui mercati. In sintesi, senza aspettare il post dedicato a questo tema, qui si può già anticipare che i veicoli elettrici dotati di celle a combustibile (FCEV) offrono prestazioni di guida paragonabili a quelle dei veicoli convenzionali, con bassi tempi di ricarica, paragonabili a quelli richiesti per un pieno di benzina, elevata autonomia ed emissioni praticamente nulle.

Sebbene sul mercato siano già disponibili alcuni modelli di auto, in realtà, viste le attuali carenze nelle reti di distribuzione, al momento le prospettive migliori sono appannaggio dei grandi TIR e degli autobus in grado di fare il pieno presso proprie strutture interne e dedicate, dei muletti aziendali che operano all’interno di spazi ben definiti e facilmente attrezzabili, sostituendone le attuali batterie, e dei treni che viaggiano nelle aree non elettrificate. Per la stessa ragione, il passaggio successivo potrà orientarsi verso le grandi navi, gli aerei, i furgoncini delle imprese o flotte di veicoli aziendali.

Le spinte alla diffusione dell’impiego dell’idrogeno verde e non solo

Già dal 2020, la Commissione europea ha cominciato a pubblicare azioni per favorire il passaggio all’idrogeno nella gran parte degli impieghi citati, inserendole nel Green Deal europeo con riferimento ai settori dei trasporti e della mobilità sostenibile.
Da allora si sono succedute varie iniziative con obiettivi sempre più ambiziosi di riduzione delle emissioni di CO₂ e un piano di scadenze fissate entro il 2025 e il 2030. Gli interventi finanziati e finanziabili sono a tutto tondo, andando dalle infrastrutture per la distribuzione e il trasporto dell’idrogeno, alle celle a combustibile, agli elettrolizzatori e così via.

I programmi di finanziamento ricadono sotto numerosi capitoli, a partire da Horizon 2020, per arrivare ai più recenti Fit-for-55, REPowerEU e al suo acceleratore pubblicato nello scorso maggio 2022 in seguito alla pressione esercitata dalla necessità di rendere l’Europa indipendente dalle importazioni del gas e del petrolio russi. Stando alle stime della Commissione Europea, raggiungendo un livello di 20 Mt di idrogeno verde entro il 2030, si potrebbe ridurre considerevolmente la dipendenza dai combustibili dell’intera Comunità importati dalla Russia, sia per quanto riguarda il gas (per un ammontare di circa 27 bcm), sia per il petrolio (per circa 3.9 Mtoe), che per il carbone (per circa 156 Kt).

Su Horizon 2020 è stato allocato un miliardo di euro per finanziare, mediamente al 50%, progetti da svolgersi tra il 2021 e il 2027 sotto il cappello “Clean Hydrogen Partnership”, ovvero attraverso la collaborazione di varie aziende dei settori privato e pubblico per un totale di investimenti che supererà i 2 miliardi di euro.

I programmi Fit-for-55 e REPowerEU, con il secondo che ha elevato considerevolmente gli obiettivi del primo arrivando persino a triplicarne i valori, sono focalizzati sull’impiego di idrogeno verde, ovvero prodotto attraverso energie rinnovabili, nell’industria e nei trasporti, i settori più complessi da decarbonizzare e nel contempo principali generatori di CO₂. In particolare, si punta a sostituire pressoché totalmente i gas naturali nella produzione di ammoniaca e di fertilizzanti, così come negli impianti di raffinazione entro il 2030, avviando iniziative analoghe anche per la sostituzione del carbone nei vari settori della siderurgia.

L’ambizione è rendere l’impiego dell’idrogeno verde così competitivo sul piano dei costi da risultare conveniente rispetto a qualsiasi altro fossile attualmente in uso.

A maggio, sospinta dai venti di guerra generati dalla Russia e alle conseguenti sanzioni che le sono state applicate, è stato varato il programma RePower EU Action Plan Hydrogen Accelerator che oltre a ribadire la necessità di raggiungere i traguardi fissati dal precedente RePower EU, in molti casi ne ha ristretto i tempi ed elevato le disponibilità di finanziamento portandola ad un ammontare che supera i 3 miliardi di euro.

E’ anche stata introdotta la possibilità di ricevere finanziamenti al 100% per alcuni progetti particolarmente innovativi e di interesse strategico. Infatti, se si vogliono convertire all’idrogeno interi comparti industriali, bisogna prima di tutto assicurarsene una disponibilità sufficiente a soddisfarne la crescita della domanda. Così, sono stati lanciati bandi di gara per la creazione di elettrolizzatori da 100 MW, mentre sul piano tecnologico è stato prevista la possibilità di finanziare nuove sperimentazioni tipo la possibilità di ricavare idrogeno dalle alghe marine o anche direttamente dalla scissione dell'acqua usando l'energia solare o attraverso i processi di pirolisi con produzione collaterale di carbonio solido.

In parallelo, si stanno contemplando i progetti di creazione, revisione e potenziamento delle infrastrutture per la distribuzione e lo stoccaggio di grandi quantità di idrogeno, operando anche su larga scala.