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La produzione di idrogeno: principali tecnologie

L’idrogeno è l’elemento più abbondante in natura. Allo stato libero, a pressione atmosferica e temperatura ambiente (298 K), si trova sotto forma di gas biatomico avente formula H2. È incolore, inodore, insapore e altamente infiammabile.

L’idrogeno, attualmente utilizzato come materia prima nei processi di produzione industriale, dell’ammoniaca, fertilizzanti e nelle applicazioni di raffinazione di petrolio, è prodotto quasi interamente da combustibili fossili, attraverso la gassificazione del carbone o lo steam reforming del gas naturale.

Questi processi generalmente non utilizzano sistemi per la cattura dell’anidride carbonica (CO2), che possono comunque essere aggiunti al fine di ridurre le emissioni. In alternativa, si può ricorrere ad altri metodi di produzione più “puliti”, tra cui l’elettrolisi dell’acqua che utilizza l’elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili. Anche l’elettricità prodotta dall’energia nucleare potrebbe essere utilizzata come parte di un processo di produzione dell’idrogeno più pulito.

La prospettiva di una transizione verso un futuro a basse emissioni spiega il crescente l’interesse per l’utilizzo di idrogeno a basse emissioni di anidride carbonica in varie applicazioni: le celle a combustibile per il trasporto aereo e terrestre a lunga distanza; lo stoccaggio di energia; il buffering di potenza per supportare una maggiore penetrazione delle energie rinnovabili nelle reti elettriche, chimiche, siderurgiche; l’utilizzo diretto nei motori a combustione o nelle turbine a gas.

L’idrogeno – soprattutto nella fase di transizione verso sistemi energetici decarbonizzati – può anche essere miscelato con il gas naturale e aggiunto alle tubazioni per fornire combustibili più puliti per applicazioni di riscaldamento industriale e domestico come approccio complementare all’elettrificazione. Ci saranno variazioni regionali in questa futura domanda di idrogeno, influenzata da fattori locali come la disponibilità di combustibili fossili, di risorse idriche e di stoccaggio, il supporto finanziario e  il quadro normativo di riferimento, le infrastrutture esistenti e proposte, insieme agli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra.

Idrogeno come combustibile

L’idrogeno ha un contenuto energetico massico superiore al gas naturale o alla benzina (120 MJ/kg) che lo rende potenzialmente attraente come carburante per i trasporti. Tuttavia, su base volumetrica, il contenuto energetico è relativamente basso (10,8 MJ/m3), il che significa che devono essere utilizzati volumi maggiori per soddisfare la stessa domanda di energia che può essere ottenuta con benzina e gas naturale. Nella tabella 1 sono riportate le principali caratteristiche dell’idrogeno e del gas metano.

Tabella 1. Proprietà fisiche dell’idrogeno e del metano.

Proprietà Idrogeno Metano
Densità (fase gas a 0°C e 0.1 Mpa) [kg/m3] 0.090 0.716
Densità (fase liquida al punto di ebollizione, 0.1 Mpa) [kg/m3] 70.85 423
Temperatura di ebollizione [°C] -252.9 -161.5
Potere calorifico inferiore [MJ/kg) 120.5 50
Potere calorifico inferiore [MJ/m3) 10.8 35.6
Velocità di fiamma laminare [m/sec] 3.46 0.37
Limite di infiammabilità [%vol in aria] 4-77 4.4-16.6
Temperatura di auto accensione [°C] 585 537
Energia minima di ignizione [MJ] 0.02 0.3

L’idrogeno può essere usato anche come vettore energetico, sottoforma di altri composti che lo contengono. Un esempio è dato dall’ammoniaca (NH3) e dal metanolo (CH3OH), liquidi a temperature e pressioni relativamente vicine alle condizioni ambientali, che ne consentono il trasporto e lo stoccaggio, oltre a poter essere utilizzati come combustibili a sé stanti e come reagenti chimici nei processi di produzione industriale.

L’idrogeno è generalmente classificato con colori diversi sulla base del processo con il quale viene prodotto:

  • grigio, prodotto generalmente dal processo di steam reforming del metano (Smr) o dalla gassificazione del carbone, con elevate emissioni di anidride carbonica;
  • blu, prodotto dallo Smr o dalla gassificazione del carbone in presenza di sistemi di abbattimento delle emissioni inquinanti di anidride carbonica quali le tecnologie di cattura e utilizzo o confinamento della CO2 (CCUS);
  • verde, prodotto attraverso elettrolizzatori alimentati con energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili.

La domanda di idrogeno

Attualmente circa il 3% del consumo energetico mondiale viene utilizzato per produrre idrogeno. Nonostante meno dello 0,01% di questo idrogeno, circa 1000 t/a, sia utilizzato come vettore energetico, c’è un crescente interesse per il suo potenziale come vettore di energia pulita e per la sua capacità di supportare la riduzione delle emissioni di gas serra.

Secondo l’analisi del Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici (IPCC, 2019), i percorsi per limitare il riscaldamento globale a 1,5°C richiedono la combinazione di tecnologie e pratiche nuove ed esistenti, tra cui l’uso dell’idrogeno insieme all’elettrificazione.

Queste prospettive incidono sulla potenziale domanda. Secondo le stime, la domanda globale di idrogeno aumenterà fino a 650 MtH2/annui, circa il 14% del futuro fabbisogno mondiale di energia, anche se alcune stime più conservative si attestano sui 180-275 Mt H2/annui. Rispetto alla domanda attuale ciò corrisponde a un aumento compreso tra il 160 e il 570%.

Nel 2018 la produzione di idrogeno si è attestata a circa 115 Mt, di cui il 27% da carbone, il 70% da gas naturale e solo l’1% da elettrolisi. Il restante 2% è stato prodotto attraverso altre tecnologie.

La produzione di idrogeno

Come già accennato, i tre principali processi di produzione di idrogeno sono il reforming del gas naturale, la gassificazione del carbone e l’elettrolisi dell’acqua. La produzione di idrogeno da carbone mediante gassificazione è una tecnologia consolidata, così come l’utilizzo congiunto delle tecnologie CCUS. Ne sono un esempio i tre impianti attualmente operativi, due negli Stati Uniti d’America (Great Plains Synfuel e Coffeyville) e uno in Cina (Sinopec Qilu).

Un aspetto chiave della produzione di idrogeno è il costo. In generale, la produzione di idrogeno blu ha un costo inferiore rispetto all’idrogeno prodotto dall’elettrolisi dell’acqua. Tipicamente tra gli 1.6–2.4 $/kgH2, si stima che potrebbe ridursi ulteriormente di un 10-15% nei prossimi decenni. Al contrario, l’idrogeno prodotto da elettrolisi può costare fino a tre volte in più. Questo prezzo potrebbe arrivare ad essere competitivo nelle regioni in cui è possibile avere energia rinnovabile a basso costo. In linea di principio, visti gli alti costi di produzione, l’idrogeno deve essere impiegato solo se è la migliore soluzione tecnica per ridurre le emissioni inquinanti.

Ulteriori considerazioni devono essere fatte sulle emissioni di anidride carbonica. Per quanto riguarda la gassificazione da carbone, l’integrazione di sistemi CCUS può ridurre le emissioni a meno di 3 kgCO2/kgH2 (con il 90% di CO2 catturata).

Se si considerano gli ambiziosi obiettivi europei che mirano alla completa decarbonizzazione entro il 2050, un’efficienza di cattura del 90% non è sufficiente. È necessario raggiungere il 100% (economicamente molto oneroso) o impiegare biomasse oltre al carbone per raggiungere emissioni negative. È opportuno mettere in evidenza che la produzione di idrogeno da carbone è una tecnologia matura e che sarà utile durante la prima fase della transizione energetica. Negli anni sarà però soppiantata da tecnologie meno impattanti dal punto di vista ambientale, come per esempio gli elettrolizzatori alimentati con energia elettrica prodotta da fonti di energia rinnovabile. Nella figura seguente sono riportate le emissioni specifiche per la produzione dell’idrogeno sulla base del processo utilizzato.

Figura1. Emissioni specifiche per la produzione dell’idrogeno sulla base del processo utilizzato.

La produzione di idrogeno a partire dal gas metano, è caratterizzata da una produzione specifica di CO2 inferiore rispetto alla gassificazione del carbone.

Per quanto riguarda l’elettrolisi dell’acqua, l’intensità delle emissioni di CO2 dipende da come viene prodotta l’energia elettrica che alimenta l’impianto stesso. Se l’elettrolizzatore utilizza energia interamente prodotta da fonti energetiche rinnovabili, la produzione specifica di anidride carbonica è circa zero.

Il futuro mercato dell’idrogeno sarà legato principalmente alle politiche nazionali inerenti agli obbiettivi di decarbonizzazione da raggiungere e alle infrastrutture nazionali presenti, come la rete di distribuzione del gas.

Per incentivare questa economia, diversi paesi hanno messo a punto strategie e percorsi, volti allo sviluppo delle infrastrutture legate all’idrogeno e alle diverse tecnologie di produzione sostenibili.

Attualmente, in vista dell’incremento delle fonti energetiche rinnovabili non programmabili, l’attenzione maggiore è sugli elettrolizzatori, in grado di compensare i picchi di produzione degli impianti rinnovabili e, di conseguenza, avere quindi un potenziale ruolo per la stabilizzazione della rete. APorcu

ICSC/313

Agosto 2021

Greg Kelsall

Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.