Il ruolo dell’idrogeno per l’energia del futuro: vantaggi e limiti di una sfida green

In natura alimenta le stelle, sulla Terra rappresenta uno dei vettori energetici più promettenti per il futuro. L'idrogeno è oggi considerato un alleato strategico per la decarbonizzazione, in linea con gli obiettivi del Green Deal e il traguardo zero emissioni (Net Zero) entro il 2050. Parliamo di un gas incolore, inodore e estremamente abbondante sulla Terra, capace di stoccare e trasportare energia pulita.

Ne abbiamo parlato spesso nella Battery Weekly, la rubrica settimanale LIVE di Flash Battery che, ogni lunedì sera alle 18:00, approfondisce le ultime notizie a tema batterie, elettrificazione ed energia attraverso l’opinione di tre esperti del settore: Il CEO e CTO di Flash Battery Marco Righi e Alan Pastorelli e il Presidente di eV Now!, Daniele Invernizzi.

Approfondiamo il ruolo del vettore idrogeno, risorsa chiave per affrontare la crisi climatica. In questo articolo analizzeremo i vantaggi, le barriere infrastrutturali e le opportunità legate alla diffusione delle tecnologie Power-to-X.

L’idrogeno è uno degli elementi più semplici e più abbondanti sul Pianeta e all’interno del Sistema Solare, costituendo quasi il 90% della massa visibile dell’universo, principalmente nella sua forma gassosa.

La caratteristica che lo rende un’alternativa concreta di combustibile pulito è che, combinandosi con l’ossigeno durante la combustione, produce come scarto esclusivamente vapore acqueo. Si tratta, infatti, dell’unico combustibile che, sia quando viene utilizzato in motori termici, sia in celle a combustibile, non produce emissioni inquinanti, ma semplicemente acqua. Questa è la grande distinzione dell’idrogeno rispetto agli idrocarburi, che essendo formati da idrogeno e carbonio, durante l’utilizzo, combinati con l’ossigeno, emettono anidride carbonica e altri gas dannosi sia per la salute umana che per l’ambiente.

Tuttavia, sulla Terra questo elemento è raramente disponibile in natura da solo, allo stato libero e molecolare (H₂), perché è presente quasi esclusivamente in combinazione con altri elementi chimici, per esempio nell’acqua (H₂0) o negli idrocarburi, composti da idrogeno e carbonio (ad esempio il metano, CH₄). Inoltre, trattandosi di un gas altamente reattivo a contatto con l’aria, è difficile trovare sulla superficie terrestre fonti naturali di idrogeno puro.

Per ottenere idrogeno è necessario estrarlo dagli elementi con cui è combinato, investendo energia nel processo di separazione. Non essendo disponibile libero in natura, l'idrogeno non è una fonte primaria ma un vettore energetico (energy carrier), in grado di accumulare energia per rilasciarla al momento del bisogno.

Sebbene l’idrogeno rappresenti un’energia pulita nel momento del suo utilizzo, la sua produzione non ha impatto zero per il pianeta. Esistono attualmente diverse modalità per produrre idrogeno, ma non tutte hanno lo stesso effetto sull’ambiente, alcune infatti producono più emissioni di altre.

Sebbene l'idrogeno sia un gas invisibile, le diverse tecnologie di produzione sono identificate da un codice cromatico. Questa convenzione serve a classificarne l'impatto ambientale e la specifica Carbon Intensity.

Ad oggi, vengono principalmente identificati 4 colori dell’idrogeno, in base al processo produttivo impiegato:

Idrogeno bianco

L'Idrogeno nominato “bianco” o idrogeno naturale si trova in giacimenti nelle profondità della crosta terrestre, noto anche come geologic hydrogen. Sebbene esistano riserve potenziali, quelle economicamente accessibili non sono sufficienti a soddisfare la domanda globale. Inoltre, l'impatto ambientale non è nullo: deriva dai metodi di estrazione (drilling) spesso invasivi e costosi.

Idrogeno grigio

“L’idrogeno grigio” viene ottenuto attraverso il processo di steam reforming del metano (SMR) o di altri idrocarburi. Tale procedura utilizza la reazione tra vapore e metano ad altissime temperature per creare idrogeno. Attualmente questo metodo è impiegato per produrre circa il 48% dell’idrogeno mondiale. Si tratta di una reazione chimica che genera anidride carbonica (CO2) come prodotto di scarto, immettendo in media nell’atmosfera più di 9 kg di C02 per ogni kg di idrogeno prodotto.

Un processo di produzione simile si verifica a partire anche da altri combustibili fossili, come il carbone, nel caso del “brown hydrogen”. Si tratta di un processo consolidato e largamente diffuso che, però, genera una quantità di emissioni di CO2 ancora più elevato, circa 20Kg di CO2 per ogni kg di idrogeno prodotto.

Idrogeno blu

Il processo produttivo dell’“idrogeno blu” (Blue Hydrogen) deriva da quello del Grey Hydrogen, ma con una differenza sostanziale. Una parte significativa della CO₂ generata viene infatti intercettata e confinata nel sottosuolo tramite tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage), evitandone la dispersione in atmosfera.

Idrogeno verde

L'“idrogeno verde” (Green Hydrogen) rappresenta il vertice della sostenibilità. Si ottiene tramite elettrolisi, processo che utilizza l'elettricità per scindere l'acqua (H₂O) in idrogeno e ossigeno. Il cuore del sistema è l'elettrolizzatore (electrolyzer technology): se alimentato esclusivamente da fonti rinnovabili, garantisce una produzione di idrogeno a zero emissioni totali.

Oggi l’idrogeno verde è ritenuto un’opzione concreta per la decarbonizzazione e, in particolare, a causa delle sue elevate potenzialità e del ridotto impatto ambientale dato dalla sua combustione, è stato identificato dall’Unione Europea come elemento chiave verso la riduzione delle emissioni di CO2, stabilita dal Green Deal Europeo entro il 2050. A tal proposito, proprio la UE, molto attenta al percorso verso la neutralità climatica (nel 2022 ha infatti già regolamentato attentamente il settore delle batterie), ha presentato una strategia ad hoc per incoraggiare l’uso dell’idrogeno verde in tutti gli Stati membri, con lo scopo di velocizzare la produzione dell’idrogeno verde da risorse rinnovabili.

Secondo l’ultimo rapporto dell’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), oggi vengono consumate circa 75 milioni di tonnellate di idrogeno all’anno nell’Unione Europea, rappresentando il 2% del mix energetico totale. Tuttavia, è importante sottolineare che quasi il 95% della produzione di questo idrogeno è ottenuta tramite combustibili fossili.

Promuovere, dunque, l’utilizzo esclusivo di idrogeno verde, prodotto attraverso energie rinnovabili, potrebbe apportare un contributo rilevante alla riduzione delle emissioni atmosferiche influenzando positivamente il percorso verso la neutralità carbonica entro il 2050, specialmente nei settori Hard-to-Abate.

…ma sono ancora molti limiti da oltrepassare: i contro dell’idrogeno verde

L’idrogeno è un gas altamente reattivo ed infiammabile, caratteristiche che richiedono una particolare attenzione e regolamentazione durante le fasi della produzione, stoccaggio e trasporto.

Attualmente, la mancanza di un'infrastruttura di distribuzione capillare ostacola la diffusione di questa tecnologia su larga scala. In una fase transitoria, si potrà ovviare al problema sfruttando i collegamenti esistenti e privilegiando l'utilizzo dell'idrogeno in prossimità dei siti di produzione. Tuttavia, nel lungo termine, per rispondere efficacemente alla domanda di mercato, sarà imprescindibile lo sviluppo di una rete di trasporto dedicata e transfrontaliera, come delineato dalla visione del European Hydrogen Backbone.

Non trascurabile è anche il fattore prezzo: per utilizzare l’idrogeno servono infatti sistemi complessi e costosi. Gli impianti per la produzione di idrogeno verde non sono ancora economicamente competitivi (capex elevato) rispetto agli impianti tradizionali, scoraggiando l’adozione di una produzione più green.

Passando agli aspetti tecnici, il grande limite dell’idrogeno risiede oggi nella sua bassa efficienza. Questo deficit è ben rappresentato dalla cosiddetta Round-Trip Efficiency, un parametro che evidenzia come l'intero ciclo energetico comporti massicce dispersioni: dalla produzione, passando per lo stoccaggio e il trasporto, fino alla riconversione finale in energia.

Se immaginiamo una linea i cui gli estremi rappresentano l’impatto ambientale e l’efficienza energetica, troveremo da un polo i combustibili fossili (maggiore impatto, minor efficienza) e, dall’altro, lato l’energia elettrica rinnovabile con utilizzo diretto o accumulo in batteria (minor impatto, maggior efficienza). L’idrogeno si colloca a metà di questa linea, costituendo un compromesso tra il ridotto impatto ambientale e la ridotta efficienza. Nel caso dell’idrogeno verde ottenuto da fonti energetiche sostenibili, per il suo basso impatto ambientale, questo, sulla linea, si avvicina maggiormente all’energia elettrica.

Grafico rappresentativo dell’efficienza e dell’impatto di diverse fonti energetica

La bassa efficienza dell’idrogeno come vettore energetico rappresenta una criticità centrale per il settore della mobilità, condizionandone l'adozione su larga scala. Valutando il ciclo Well-to-Wheel (dal pozzo alla ruota), l’efficienza energetica complessiva della filiera idrogeno risulta infatti nettamente inferiore rispetto alle alternative più consolidate, come i veicoli elettrici alimentati da batterie (BEV).

Quando sono alimentate a batteria, le auto utilizzano direttamente l’energia elettrica derivata dalla batteria stessa; quando, invece, l’idrogeno viene utilizzato come vettore, non è impiegato direttamente perché necessita di essere prima trasformato in energia elettrica per alimentare il motore.

Questa tecnologia, che produce elettricità utilizzando l’idrogeno in forma gassosa per alimentare un motore elettrico, prende il nome di fuel cells e alimenta i veicoli FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles). In questo processo l’energia viene convertita due volte: prima per produrre idrogeno, e poi per riprodurre energia elettrica. In ogni passaggio, dunque, ci sono perdite di efficienza: durante la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi e, successivamente, durante la fase di stoccaggio e trasporto. Infine, un’altra parte si disperde quando l’idrogeno è convertito in elettricità per azionare il motore.

L’auto alimentata a idrogeno raggiunge in media un’efficienza compresa solo tra il 25% e il 35%. In un veicolo alimentato solo a batteria, al contrario, le percentuali sono completamente rovesciate: solamente una minima parte di energia viene dispersa durante il trasporto, prima di essere immagazzinata, arrivando ad un’efficienza complessiva che può arrivare fino al 90%.

Nonostante i benefici ambientali siano pressoché gli stessi, l’uso dell’idrogeno verde per il trasporto leggero su strada risulta oggi meno vantaggioso rispetto all’alimentazione elettrica. La disponibilità di una rete di ricarica capillare e il costo di rifornimento più basso rendono la ricarica elettrica più conveniente rispetto ad un rifornimento di idrogeno. L’auto elettrica può, inoltre, godere della presenza di infrastrutture di trasporto e distribuzione consolidate che, nel caso dell’idrogeno, dovrebbero essere implementate.

Un ulteriore difficoltà è rappresentata dalla criticità del trasporto dell’idrogeno alle stazioni di rifornimento per l’approvvigionamento delle vetture. Si tratta infatti di un gas difficile da maneggiare a causa della sua bassa densità energetica, che richiede una compressione ad alte pressioni (da 350 a 700 bar) per essere stoccato in quantità sufficienti ad alimentare un’auto.

Hydrogen and electric drive [1]

L’idrogeno potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella decarbonizzazione dei settori Hard-to-Abate, come il trasporto marittimo, l’aviazione o la movimentazione di merci pesanti su lunghe distanze. Per queste applicazioni, l’elettrificazione a batteria risulta oggi critica: richiederebbe pacchi accumulatori di dimensioni e peso eccessivi, che ridurrebbero drasticamente il carico utile.

L’aumento esponenziale della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, come il solare fotovoltaico e l’eolico, porta con sé la sfida strutturale dell'intermittenza. Questo scenario implica la necessità imperativa di immagazzinare l’energia in eccesso generata nei periodi di picco, per renderla disponibile quando la domanda supera l'offerta. Qui emerge una distinzione tecnologica fondamentale: mentre le fluttuazioni giornaliere (cicli brevi) possono essere gestite efficacemente mediante l’impiego di batterie elettrochimiche, il bilanciamento tra estate e inverno richiede soluzioni di Seasonal Energy Storage (accumulo stagionale). Per questa esigenza specifica, l'unica via percorribile su larga scala è lo stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo, tecnicamente definito Underground Hydrogen Storage (UHS). Questa tecnologia permette di accumulare grandi volumi di energia prodotta in estate per rilasciarla durante i mesi invernali, coprendo il deficit causato dalla ridotta produzione solare.

L’idrogeno rappresenta un’opzione concreta di energia pulita ed è considerato come un vettore energetico promettente per la mobilità sostenibile, in quanto offre la possibilità di veicoli a emissioni zero e una soluzione per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Tuttavia, nonostante il suo potenziale, sono ancora numerose le sfide da affrontare, tra cui la riduzione dei costi di produzione, lo sviluppo di infrastrutture adatte e la risoluzione di questioni legate alla distribuzione e allo stoccaggio dell’idrogeno.

Va precisato che solo l'idrogeno verde, generato utilizzando energia pulita da fonti rinnovabili (RES), garantisce una reale decarbonizzazione. Le varianti prodotte da combustibili fossili, pur avendo costi di produzione inferiori, mantengono invece un'elevata Carbon Footprint, vanificando gran parte dei benefici ambientali.

Dal punto di vista tecnologico, la bassa efficienza energetica costituisce per alcuni settori un punto a sfavore rispetto alle batterie, pertanto, è fondamentale affrontare le sfide legate all’efficienza dell’idrogeno per garantire un ruolo efficace e sostenibile di questa tecnologia nel futuro.

Inoltre, è fondamentale riconoscere che, affinché l’idrogeno giochi un ruolo più significativo nella transizione verso un’energia più sostenibile, è essenziale migliorare la tecnologia associata alle celle a combustibile. Attualmente, le fuel cell presentano ancora ostacoli significativi, come costi elevati, bassa efficienza e durata limitata: tutti fattori che influiscono negativamente sull’usabilità complessiva del sistema a idrogeno.

IEA Net Zero Scenario 2050 [2]

L'idrogeno verde si conferma dunque un vettore chiave nella transizione verso la sostenibilità. La sua diffusione riveste un ruolo fondamentale per la decarbonizzazione dei cosiddetti settori Hard-to-Abate, ovvero quei comparti industriali ad alta intensità energetica difficili da elettrificare.

Rimarrà, però, una parte minoritaria dell’energy mix di cui potremo usufruire nel 2050, come riportato anche la relazione dell’ESA – European Space Agency che, basandosi sui dati indicati dall’Agenzia internazionale dell’energia, indica l’idrogeno con una minima percentuale rispetto alle altre fonti energetiche da adottare in previsione del raggiungimento dell’obiettivo Zero Emissioni entro il 2050.

Bibliografia

^{[1] Hydrogen and electric drive. Immagine tratta da sito web Volskwagen del 03/12/20.
[2] IEA Net Zero Scenario 2050. Immagine tratta da sito web European Space Agency in data 20/12/23.}