Idrogeno, gli scenari: l'intervento del professor Roberto Cipollone

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Lunedì 19 Febbraio 2024, 17:50

Roberto Cipollone, Professore Ordinario di Sistemi per l’Energia e l’Ambiente presso l’Università degli Studi dell’Aquila. Esperto di tecnologie energetiche orientate alla sostenibilità, classificato nella lista del 2% degli studiosi scientificamente più influenti a livello mondiale nel settore specifico. Che cos’è l’Idrogeno? L’Idrogeno come sostanza elementare a condizioni ambiente è un gas incolore, insapore ed inodore. Pur essendo il composto più diffuso in natura, non esiste allo stato puro gassoso, trovandosi naturalmente in composti che costituiscono la vita animale e vegetale sul Pianeta (idrocarburi, insieme al Carbonio). Pertanto, come gas deve essere prodotto artificialmente. L’Idrogeno è l’unica sostanza che quando brucia, pur rilasciando notevoli quantità di energia (circa tre volte quella di una benzina o un gasolio per unità di massa), produce solo acqua allo stato di vapore o di liquido. Si tratta, quindi, di una specie che è in grado di sostituire i combustibili fossili, non emettendo anidride carbonica e consentendo di realizzare elevate temperature di combustione funzionali a numerosi processi tecnologici oggi basati sulle fonti fossili. La produzione di Idrogeno richiede più energia di quella che restituisce quando viene utilizzato in ambito energetico. Il ciclo produzione-consumo, quindi, non è conveniente a meno che l’energia necessaria per produrlo non derivi da fonti rinnovabili, teoricamente infinite come potenzialità energetica. A che cosa serve oggi l’Idrogeno ? Il suo uso è nell’industria chimica per la produzione di ammoniaca, di alcool metilico, del metanolo di sintesi, nell’industria della raffinazione petrolifera, nell’industria metallurgica, per la produzione di concimi. L’Idrogeno come vettore energetico può essere utilizzato come combustibile in forma tradizionale mescolandolo all’Ossigeno; in tale uso produce una quantità di energia circa tripla di quella di un combustibile fossile ed il gas residuo della combustione è composto solo da acqua, in fase vapore o liquida a seconda della temperatura allo scarico. Ha pertanto una superiorità energetica ed ambientale indiscutibile. Quali sono le tecnologie che oggi consentono di produrlo? In Italia vengono prodotte circa 500 mila tonnellate l’anno. Una parte preponderante (più del 95%) è ottenuto attraverso un processo chimico detto “reforming” a partire dal Metano, dal cracking termico dei prodotti petroliferi leggeri, dalla gassificazione del Carbone. Il “reforming” è un processo tecnologico maturo dove il Metano viene fatto reagire con vapore d’acqua ad alta pressione (25-30 atmosfere) ed alta temperatura (800 °C) in presenza di catalizzatori chimici. Il processo richiede apporti energetici che oggi sono di natura fossile e produce emissioni di anidride carbonica, il principale responsabile del riscaldamento globale. Solo circa l’1-2 % viene prodotto tramite elettrolisi, cioè un processo che tramite energia elettrica scinde la molecola dell’acqua (H20) in Idrogeno ed Ossigeno. Si tratta, però di un processo che richiede grandi quantità di energia elettrica per kg di Idrogeno prodotto, superiore a quella che l’Idrogeno restituisce quando utilizzato campo energetico. Quali sono i costi dell’Idrogeno rispetto ai combustibili fossili I costi per produrre l’Idrogeno da reforming del Metano o da processi di elettrolisi dipendono molto dal costo del Metano, da quello dell’energia elettrica e dal costo associato alla CO2 che viene riversata in atmosfera quando le necessità energetiche per produrlo provengono da energia fossile. Copiosa è la letteratura scientifica che, a partire dai costi attuali, formula previsione sui costi futuri (in ribasso) la cui validità, però è fortemente incerta riguardando quest’ultima aspetti connessi con il “mercato” intrinsecamente incerto. Oggi, da reforming del Metano, il costo di 1 kg di Idrogeno è circa 2 Euro (senza considerare il costo della CO2 riversata in atmosfera) mentre quello per elettrolisi, da energia elettrica rinnovabile, è superiore ed oscilla tra 2.5-4 Euro a seconda della tecnologia con la quel è stata prodotta l’energia elettrica. Negli anni a venire (due scenari sono interessanti per la transizione energetica, il 2030 ed il 2050) il costo è dato a scendere ma la validità dei valori proposti è fortemente incerta ed è anche, forse, oggetto di un certo ottimismo tecnologico riguardante la necessità della transizione energetica. Quale è il ruolo dell’Idrogeno nella transizione energetica La transizione energetica dall’energia fossile a quella rinnovabile rappresenta una necessità dovendo contenere la concentrazione di CO2 in atmosfera a 450 ppm (parti per milione) in accordo all’Accordo di Parigi del 2015 ratificato ormai dalla maggior parte dei Paesi. A questa concentrazione corrisponde un probabile aumento di temperatura del Pianeta prossimo a 2 °C ritenuto soglia di irreversibilità di fenomeni meteo-climatici che realizzeranno nuovi assetti geografici, sociali, economici e concernenti gli stili di vita. L’attuale concentrazione di CO2 in atmosfera (415 ppm) è così prossima al valore massimo che ai ritmi di emissione attuali (che in realtà non sembrano ridursi) lascia pensare che in qualche decennio verrà raggiunto il valore di soglia. Pertanto, il settore energetico mondiale dominato dalle energie fossili dovrà necessariamente evolvere verso un uso massiccio delle energie rinnovabili (decarbonizzazione dell’economia). Esistono, però, settori dove la sostituzione delle fonti fossili è difficile, alle tecnologie odierne ancora allo stato prototipale. Questi settori sono quelli attenzionati con il termine “hard to abate”, facendo riferimento alla difficoltà di abbattere l’anidride carbonica. Si tratta del trasporto delle merci, aereo e navale, dei settori siderurgici, delle materie per le costruzioni, dei lubrificanti e delle materie plastiche. Per questi settori, l’uso dell’Idrogeno come combustibile riproduce condizioni in temperatura simili a quelle che si hanno con i combustibili fossili, consentendo di mantenere le tecnologie che sono a valle dei processi di combustione. Poiché la prima fase di utilizzazione dei combustibili fossili è quella relativa alla combustione, si comprende come l’Idrogeno come combustibile consentirebbe di risolvere la maggior parte delle criticità economico-energetiche. La produzione di Idrogeno, però, deve necessariamente essere realizzata tramite fonti energetiche rinnovabili.

Che significano i “colori” dell’Idrogeno L’Idrogeno a condizioni ambiente è un gas incolore, inodore ed insapore. Quando si parla di “colori” dell’Idrogeno ci si riferisce convenzionalmente al modo che si utilizza per produrlo che richiama: (a) la natura dell’energia elettrica necessaria per produrlo; (b) la fine dell’anidride carbonica prodotta dal processo di “reforming” del Metano. I principali “colori” cui si fa riferimento sono: verde, grigio, blu e turchese. L’Idrogeno viene detto “verde” se prodotto tramite elettrolisi utilizzando energia elettrica rinnovabile. La sua produzione non implica per definizione emissioni di anidride carbonica. L’Idrogeno è “grigio” quando prodotto da reforming del Metano (la quasi totalità di quello oggi prodotto nel mondo) le cui emissioni di anidride carbonica vengono rilasciate in atmosfera in atmosfera, contribuendo all’aumento della temperatura del Pianeta. Stessa origine ha l’Idrogeno “blu” dove però l’anidride carbonica emessa viene catturata e non emessa in atmosfera. La cattura, però non è completa e la parte rimanete viene riversata in atmosfera. L’Idrogeno è “turchese” quando viene prodotto tramite processi termici di “pirolisi” del gas metano (scissione della molecola del Metano ad alta temperatura). L’anidride carbonica emessa viene separata e pressurizzata ad altissima pressione per essere trasformata in un prodotto solito detto “grafite” molto utilizzato in altri settori. Anche in questo caso, però, parte dell’anidride carbonica viene riversata in atmosfera. Si comprende che l’unico Idrogeno “rinnovabile” è quello “verde” che non lascia in atmosfera residui carboniosi. Quali sono le competenze sull’Idrogeno presso l’Università degli Studi dell’Aquila L’Università degli Studi dell’Aquila ha attenzionato l’uso dell’Idrogeno per la transizione energetica sotto diversi aspetti. Sperimentazioni sono in corso per la sua produzione da elettrolisi dell’acqua che mirano alla riduzione dei consumi energetici elettrici, uno svantaggio dell’elettrolisi. Dagli attuali 55 kWh di energia elettrica per kg di Idrogeno l’obiettivo è arrivare a 45 kWh. L’idrogeno prodotto è stato recentemente mescolato con combustibili fossili e sperimentato nei motori a combustione interna che operano in una sala motori presso l’Università, completamente strumentata per la valutazione delle prestazioni meccaniche ed ambientali. In tal modo, l’Idrogeno sostituisce in parte i combustibili fossili, favorendo quella gradualità nella transizione energetica che è indispensabile da un punto di vista tecnologico ed anche sociale. E’ in svolgimento presso la stessa Università lo sviluppo di un motore ad Idrogeno puro nell’ambito di un progetto di ricerca definito di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN) che vede coinvolte diverse Università in Italia. Sono anche state recentemente sperimentate forme intermedie di elettrolisi dell’acqua che vedono la produzione di una miscela di gas (Idrogeno ed Ossigeno in rapporto stechiometrico e vapore d’acqua). Su di esso si sta indagando per le numerose interessanti applicazioni, non solamente tecnologico-ingegneristiche ma anche biologico-medico sanitarie. La separazione della CO2 dai gas di scarico, tecnologia alla base della transizione energetica, è anch’essa oggetto di approfonditi studi così come la produzione di Idrogeno da reforming di biomasse solide e liquide. Nel più ampio settore della transizione energetica/ecologica, presso l’Università degli Studi dell’Aquila si osserva un’attenzione scientifica particolare alle macchine elettriche ed ai sistemi di controllo, essendo la prospettiva dell’elettrificazione un cardine della transizione energetica. La finalizzazione di queste ricerche è relativa alla rimozione delle terre rare nei motori e/o generatori elettrici, obiettivo strategico di portata internazionale. Il recupero di queste sostanze da rifiuti elettronici, valorizzando in concetto di economia circolare, rappresenta parimenti un vanto di ricerca di valore nazionale ed internazionale. L’adeguamento dei sistemi di conversione dell’energia da fonti fossili (motori a combustione interna, impianti a vapore ed a gas, sistemi di combustione tecnologica, etc…) alle nuove necessità che prevalentemente si orientano alla riduzione della CO2 riversata in atmosfera, rappresenta un altro rilevante settore di ricerca. L’attenzione, infine, al prodotto industriale come ottimizzazione funzionale ed al trasferimento tecnologico di soluzioni che dimostrino la maturità necessaria per arrivare al mercato chiude il cerchio di un importante sforzo di ricerca. In che senso l’Idrogeno può favorire lo sviluppo locale ? La transizione energetica richiede necessariamente un riassetto dell’offerta e della domanda di energia, accanto ad una significativa contrazione di quest’ultima grazie al miglioramento dei processi tecnologici ed all’acquisizione di una nuova sensibilità nei consumi. Uno strumento che parteciperà a quest’ultima necessità è rappresentato dalle Comunità Energetiche Rinnovabili dove gruppi di utenti di varia numerosità decidono di mettersi in comunità energetica, scambiandosi reciprocamente l’energia prodotta da impianti rinnovabili gestite in comunione. Ciò oltre che favorire la penetrazione del concetto di Comunità già sperimentato efficacemente in ambito sociale al settore dell’energia farà nascere di per sé un atteggiamento di parsimonia energetica e disponibilità reciproca a condividere produzione e consumo di energia. In uno scenario nel quale le Comunità Energetiche siano energeticamente indipendenti, l’attuale centralismo energetico (poche grandi centrali elettriche di produzione ed un’enorme rete di distribuzione) segnerà il passo lasciando lo spazio ad una generazione diffusa. Poiché le fonti rinnovabili non sono continue, i tempi dell’offerta (generazione) energetica non si accordano con quelli della domanda (consumi). Nei periodi di scarsa domanda la disponibilità di energia da fonte rinnovabile potrebbe essere utilizzata per produrre Idrogeno da utilizzare nelle varie modalità nei momenti di necessità energetica, quando le fonti rinnovabili non sono disponibili. L’Idrogeno, quindi, rappresenta un formidabile strumento di accumulo energetico che supera i limiti già evidenti dell’accumulo elettrico in batteria.