*** Prima Parte ***

Idrogeno: la nuova panacea? Miti e realtà delle aspettative sull'idrogeno nello Stato Spagnolo/1

di Javier Andaluz Prieto, Sagrario Monedero López, Josep Nualart Corpas 

Introduzione

Negli ultimi mesi stiamo assistendo ad un incessante stillicidio di promesse e annunci relativi all'idrogeno verde, che lo ha posto nel dibattito politico e mediatico come una sorta di panacea per i problemi e le sfide poste dalla decarbonizzazione del nostro modello produttivo ed energetico.

Ecologistas en Acción (EeA) e l'Observatori del deute en la globalitació (ODG) vogliono unirsi alle voci critiche che da molti fronti del mondo accademico, scientifico, sociale e ambientale stanno mettendo in guardia sui rischi e sulle incertezze che presentano le proposte lanciate da amministrazioni e imprese. 

Il presente studio cerca di affrontare, in forma divulgativa, la realtà dell'idrogeno e i dubbi che la sua fattibilità ambientale, economica e sociale presenta oggi, e di mettere in guardia dall'enorme rischio che corriamo generando una bolla di idrogeno. 

Per farlo scenderemo al livello tecnico, analizzando le caratteristiche fisico-chimiche dell'idrogeno e la sua catena di valore, concentrandoci sulle principali virtù e sfide che offre e valutando, sulla base di queste, gli usi per i quali è o non è adatto. D'altro canto analizzeremo cosa c'è dietro la promozione dell'idrogeno su larga scala, i flussi e gli interessi finanziari legati ad esso e la nuova geopolitica energetica che si sta aprendo intorno all'idrogeno. 

Infine, segnaliamo alcuni dei principali progetti che le aziende energetiche spagnole, con il sostegno delle amministrazioni, hanno lanciato negli ultimi mesi. 
 

Cos'è l'idrogeno?  

L'idrogeno è la molecola più leggera e più piccola della tavola periodica e l'elemento più abbondante nell'universo. Si trova normalmente in combinazione con altri elementi chimici come l'ossigeno nell'acqua (H2O), il carbonio negli idrocarburi (CHx) e l'azoto nell'ammoniaca (NH3). Questo lo rende un vettore energetico, cioè è un vettore energetico, che servirebbe per lo stoccaggio e il trasporto di energia, ma che ha bisogno di un input iniziale di energia primaria per separare le sue molecole e ottenerlo allo stato puro (H2). Pertanto, è importante rimarcare che l'idrogeno non è una fonte di energia primaria, ma un vettore energetico che ha la particolarità di poter immagazzinare energia per un uso successivo.

Ad eccezione delle scie lasciate dagli aerei alimentati ad H2 1, l'idrogeno non emette direttamente gas a effetto serra durante la sua combustione o uso, ma può emetterli indirettamente nel processo utilizzato per la sua produzione e uso. È quindi importante sottolineare l'idea che l'idrogeno è pulito tanto quanto lo è la fonte di energia utilizzata per ottenerlo e durante tutto il processo.

Ad oggi, meno dell'1% 2 della produzione mondiale di H2 è di origine rinnovabile. Secondo il rapporto dell'IRENA, il 99% dei 130 milioni di tonnellate di idrogeno prodotti annualmente per i processi industriali è ottenuto utilizzando processi di gassificazione del carbone, della lignite o del gas naturale. 


Caratteristiche fisico-chimiche

 
L'H2 ha un alto valore di energia per unità di massa, cioè un'alta densità energetica. Tuttavia, è un gas a densità molto bassa. Pertanto, possiamo dire che ha un'alta densità energetica in massa e una bassa densità energetica in volume. Inoltre la sua compressione, liquefazione o trasformazione in altri combustibili richiede ulteriore energia, che deve essere presa in considerazione. Il seguente grafico mostra un confronto delle proprietà fisiche dell'idrogeno e del gas naturale 3

Le proprietà chimico-fisiche dell'idrogeno hanno un peso importante nella sua efficienza e sono determinanti per stabilire valutazioni sul ruolo che può giocare:

Il fatto di essere una molecola molto piccola aumenta il rischio di fughe.   
È altamente infiammabile, anche se questo rischio è mitigato dalla sua alta diffusività.
Ha bisogno di una pressione molto alta. 
Provoca l'indebolimento dei materiali usati per il suo stoccaggio e trasporto (per esempio, corrode i tubi). 
La sua fiamma è incolore e inodore, il che la rende difficile da individuare in incendi e fughe.
Alcuni dei principali problemi derivanti dalle sue caratteristiche sono:

C'è una bassa efficienza nel processo di ottenimento dell'idrogeno che, secondo numerosi rapporti, varia tra il 20% e il 40% a seconda dei settori e delle tecnologie di applicazione. Non essendo una fonte di energia primaria, può comportare perdite fino al 70% durante l'intero processo di produzione, stoccaggio e trasporto nel caso di veicoli 4
Il suo trasporto è complesso. Come abbiamo già detto, l'idrogeno si liquefà a pressioni elevate e temperature molto basse, è altamente volatile e si disperde facilmente attraverso le più piccole fessure.
Nel suo stoccaggio l'alta pressione è necessaria per ottenere densità energetiche di volume decenti. Questo significa l'utilizzo di serbatoi con pareti molto spesse e resistenti (quindi molto pesanti) con rischio di esplosione. 

Per tutte queste ragioni, attualmente la sua redditività è bassa e risulta essere una soluzione energetica molto costosa. Secondo alcune proiezioni l'idrogeno verde diventerà, nei prossimi anni, rapidamente più competitivo rispetto all'idrogeno grigio. Tuttavia l'H2 verde risulta essere attualmente molto più costoso di altre tecnologie che sono molto più mature. 


Catena di valore/approvvigionamento dell'idrogeno

Le fasi nella catena del valore dell'H2 sono mostrate nel seguente grafico 5

attualmente, secondo i dati forniti dal Parlamento Europeo 6, il 43% della produzione mondiale di idrogeno è utilizzato per produrre ammoniaca, che viene utilizzata principalmente per produrre fertilizzanti agricoli a base di ammoniaca; il 52% è utilizzato per raffinare e purificare gli idrocarburi, il restante 5%  è per la sintesi del metanolo e altri usi.

Nel caso dello Stato Spagnolo, il consumo di idrogeno è di circa 500.000 t/anno. Si tratta principalmente di idrogeno grigio, utilizzato come materia prima soprattutto nelle raffinerie (circa il 70%) e nelle fabbriche di prodotti chimici (25%), con il restante consumo residuo corrispondente a settori come la metallurgia. In molti casi, la produzione viene effettuata direttamente nell'impianto di consumo attraverso impianti di  reforming del gas naturale con vapore (steam reforming) 7. Pertanto, la maggior parte dell'idrogeno viene oggi utilizzato come materia prima per applicazioni industriali: 
 

1 Produzione

Esistono diverse tecnologie per ottenere l'idrogeno. Commentiamo le più rilevanti: 

Idrogeno da elettricità rinnovabile: in questo caso, il metodo principale è quello dell'elettrolisi, cioè la separazione della molecola d'acqua in ossigeno e idrogeno allo stato gassoso per mezzo di una corrente elettrica continua fornita da una fonte di alimentazione collegata a due elettrodi, sulla cui superficie si scompone la molecola dell'acqua. Gli elettrolizzatori possono essere di vari tipi (quelli alcalini sono attualmente i più comuni) 8. Ci sono anche altri metodi per generare idrogeno verde dalla molecola dell'acqua, come la termolisi o la fotoelettrochimica. Tuttavia, questi metodi sono in uno stadio di maturità molto basso al momento.
Idrogeno dal gas naturale: il processo di estrazione dell'idrogeno dal gas naturale è noto come reforming. In questo processo si producono ossidi di carbonio come sottoprodotto in forma gassosa, generando circa 11 tonnellate di CO2 per ogni tonnellata di idrogeno. Un'altra tecnologia, la pirolisi del metano, produce come sottoprodotto carbone  in forma solida, producendo 3 tonnellate di carbonio come prodotto di scarto per ogni tonnellata di idrogeno. 9


2  Stoccaggio e trasporto 

L'H2 può essere immagazzinato e trasportato attraverso diversi percorsi, ad esempio in forma gassosa (attraverso infrastrutture dedicate), come gas compresso (in autocisterne o treni) o in forma liquida (su strada o in navi simili alle navi per il trasporto del GNL) 10. In alternativa, l'H2 può essere iniettato nelle reti di gas naturale (per poi consumare la miscela o separare l'H2 a destinazione), o trasportato tramite vettori (trasportatori) come l'ammoniaca (che ha il vantaggio di non contenere carbonio, rispetto ad altri liquidi organici, e di avere una propria infrastruttura sviluppata). 
 

Che ruolo deve giocare l'idrogeno nel nuovo modello energetico? 

L'idrogeno è una forma di immagazzinamento di energia difficile da classificare. Non parliamo di una nuova tecnologia, ma di una che è stata oggetto di ricerca per anni. Sebbene sia stato sviluppato per la prima volta negli anni '20, è stato negli anni '90, dopo la pubblicazione del libro di J. Rifkin “L'economia dell'idrogeno”, che è emersa la prima ondata di idrogeno. L'alto costo di produzione di questo gas, così come altri problemi tecnici come la necessità di comprimerlo ad alte pressioni in alcune delle sue applicazioni, sono stati alla base del suo mancato sviluppo. I benefici e le possibilità dell'idrogeno sono stati sopravvalutati in numerose occasioni e, ad oggi, le promesse tanto decantate rimangono inattuate e le applicazioni redditizie continuano a ritardare. Per esempio, il Governo Federale Tedesco sta facendo ricerche sulle applicazioni dell'idrogeno dal 1975 attraverso diversi programmi 11, e nel 2007 ha annunciato il Programma di Innovazione Nazionale  che prometteva di mobilitare più di 700 milioni di euro di fondi pubblici con il sostegno delle aziende del settore per raggiungere, in Germania, una significativa penetrazione della tecnologia dell'idrogeno 12. La penetrazione inizialmente promessa attualmente non esiste, e i pochi studi di percezione condotti fino ad oggi mostrano una chiara mancanza di consapevolezza pubblica degli impatti di questa tecnologia 13.

I settori industriali e governativi stanno concentrando molti sforzi sullo sviluppo di questa tecnologia. Sostengono che potrebbe essere una delle poche soluzioni di stoccaggio disponibili, insieme alle batterie elettriche. Avrebbe il vantaggio rispetto a queste ultime per cui, grazie alla sua maggiore densità di energia, potrebbe essere più appropriato per usi come il trasporto pesante a lunga distanza, navi o aerei. Potrebbe anche fornire soluzioni ai settori industriali in entrambi gli usi sia energetici che materiali. 

Tuttavia, le promesse di questo settore sono molto lontane dalla realtà, poiché i progetti proposti sono in molti casi lontani dalla fattibilità economica, energetica e ambientale necessaria per una adeguata transizione. Questa pubblicità ignora il fatto che non possiamo separare l'idrogeno dagli impatti provocate delle energie rinnovabili utilizzate per ottenerlo, né possiamo dimenticare l'inefficienza energetica del processo, che rende questo gas inutilizzabile per molte applicazioni dove l'elettrificazione è una soluzione più appropriata, come nel caso dei veicoli leggeri. 
 

L'idrogeno verde potrebbe... 

L'idrogeno verde potrebbe, a condizione di applicare rigorosi criteri di protezione ambientale e nel quadro di un sistema energetico nei limiti del pianeta:

Sostituire il consumo materiale di H2: l'idrogeno è attualmente utilizzato come materiale in varie industrie ed è principalmente ottenuto da combustibili fossili. Anche se l'attenzione si concentra esclusivamente sul suo ruolo energetico, l'idrogeno è attualmente utilizzato in una varietà di applicazioni, tra cui 14

Ottenere ammoniaca e derivati: a livello europeo, il 43% del consumo di idrogeno è utilizzato per ottenere ammoniaca e una serie di altri composti chimici che sono oggi ampiamente utilizzati. Questa ammoniaca è utilizzata principalmente per ottenere fertilizzanti chimici per l'agricoltura.
Produzione di alcoli e composti organici: necessari per la sintesi di una vasta gamma di prodotti chimici (cicloesano, ammine, alcoli alifatici), così come per la fabbricazione di alcune plastiche. Rappresenta il 5% del consumo di idrogeno in Europa. 
Industria metallurgica: l'idrogeno è usato per la produzione di molti metalli. È comune aggiungere diverse proporzioni di idrogeno ai flussi gassosi usati in diversi processi di taglio e saldatura. È anche usato nella produzione di semiconduttori, per includere impurità in un processo noto come doping, vitale per importanti applicazioni tecnologiche come per il fotovoltaico.
Raffinerie, per desolforare o alleggerire gli oli pesanti: l'idrogeno è usato per rimuovere lo zolfo dagli oli “sporchi” o per alleggerirli quando sono oli molto pesanti. È il più grande settore di consumo di idrogeno in tutta l'Unione europea, che rappresenta fino al 52% del mercato.
Non possiamo separare il rifornimento prioritario di questo idrogeno come risorsa materiale dalla prevedibile e futura domanda di questi beni. Dobbiamo quindi distinguere tra le applicazioni che devono essere mantenute e quelle che devono essere ridotte o eliminate a causa del loro alto costo climatico, ecologico o sociale. Un esempio è il settore dei pesticidi, che rappresenta una grande quota del consumo di ammoniaca ma la cui domanda futura dovrà essere drasticamente ridotta per ragioni ambientali e sanitarie. Sul lato opposto potrebbe situarsi l'idrogeno per il dopaggio delle cellule fotovoltaiche, dalla cui continuità a lungo termine dipende la fornitura di energia per una moltitudine di usi. Infatti, più del 90% dell'attuale consumo di idrogeno in Europa è destinato al petrolio e ai fertilizzanti chimici, due settori che dovranno scomparire se si vuole raggiungere la neutralità climatica. 

• Risolvere i problemi con le tecnologie non elettrificabili: uno dei dilemmi della transizione energetica è su quali tecnologie utilizzare in ciascuno dei settori da decarbonizzare. La risposta è complessa e bisogna valutare molteplici aspetti di queste tecnologie, compresa l'efficienza dei processi e un'analisi del ciclo di vita più completa possibile. Nel caso dell'idrogeno, vediamo che la sua bassa efficienza lo rende sconsigliabile per quelle applicazioni che utilizzano l'elettricità o sono più facilmente elettrificabili, come nel caso delle ferrovie. Al contrario, ci sono alcune applicazioni che richiedono l'uso di tecnologie ad alta intensità energetica dove l'elettricità non è disponibile, come la navigazione marittima e aerea, o per grandi macchinari da costruzione. Qui, l'idrogeno, e più specificamente l'uso di elettro-carburanti, potrebbe offrire soluzioni. Tuttavia, una pianificazione coerente è di nuovo necessaria, tenendo presente che il mantenimento dell'attuale numero di viaggi aerei 15 e marittimi 16 è altamente insostenibile. 

• Sostenere i momenti di bassa produzione di elettricità e dare risposte a breve termine. Un sistema energetico rinnovabile e sostenibile deve necessariamente coinvolgere una diversità di tecnologie in linea con le risorse e i valori di un territorio. La diversità delle fonti di energia, i sistemi di stoccaggio e il corretto dimensionamento sono fondamentali per la transizione energetica. In questo disegno, ci potrebbero essere soluzioni su piccola e media scala in cui l'idrogeno potrebbe essere un vantaggio aggiunto. 
• Sostituire la domanda di alcuni minerali. A differenza degli attuali sistemi di batterie, le tecnologie utilizzate per la produzione e lo stoccaggio dell'idrogeno dipendono da minerali diversi dalle attuali tecnologie delle batterie 17 e la loro durata è molto più lunga 18
• Rispondere ai settori industriali che sono altamente vulnerabili alla decarbonizzazione. Ci sono processi industriali che richiedono alte temperature per funzionare, come i forni di fusione, che sono altamente dipendenti dai combustibili fossili. Solo con l'applicazione di tecnologie di combustione possono raggiungere le temperature necessarie. In questo caso, incorporare l'idrogeno in modo sostenibile e razionale potrebbe aiutare a ridurre la pressione sulle risorse bioenergetiche come i biocarburanti 19. Inoltre, potrebbe essere una proposta per offrire un'alternativa ai territori in cui le centrali termiche e nucleari vengono chiuse. Allo stesso tempo, risparmia la costruzione di nuove linee elettriche e sottostazioni, che a loro volta rappresentano per molte are una minaccia dovuta alla costruzione di infrastrutture come gli idrodotti. Per questo motivo deve essere studiato caso per caso assicurando, tra l'altro, che ci sia nella zona una capacità sufficiente per uno spiegamento ordinato delle energie rinnovabili associate. 

(1. Continua)

* Traduzione di Marina Zenobio per Ecor.Network 


Hidrógeno: ¿la nueva panacea? Mitos y realidades de las expectativas del hidrógeno en el Estado español
Javier Andaluz Prieto, Sagrario Monedero López y Josep Nualart Corpas
Ecologistas en Acción y el Observatori del Deute en la Globalització, 2021 - 41 pp.

Download: 


NOTE:

1 Il vapore acqueo ha effetti a lungo termine che sembrano essere più condizionati dalle caratteristiche fisico-chimiche dell'atmosfera e dal ciclo dell'acqua, ed è quindi spesso escluso nel monitoraggio dell'evoluzione del clima. Inoltre, si crede che l'emissione di questo vapore acqueo nell'alta atmosfera potrebbe avere importanti effetti locali sul clima. Ulteriori informazioni: 
https://elpais.com/elpais/2019/06/27/ciencia/1561614117_113095.html    

2 IRENA “Idrogeno: Una prospettiva di energia rinnovabile” settembre 2019 https://www.irena.org/publications/2019/Sep/Hydrogen-A-renewable-energy-perspective   

3 Estratto da “Idrogeno: vettore energetico di un'economia decarbonizzata” AA.VV. Fondazione Naturgy 

4 Secondo Antonio Turiel “Contando tutte le perdite, l'efficienza energetica dalla bocca di produzione fino al movimento del motore del veicolo (well to wheel) è di solito intorno al 25%, rispetto al 75% o anche più per i veicoli elettrici. Inoltre, le celle a combustibile che devono essere utilizzate e che rendono questi veicoli più costosi sono fatte di materiali che scarseggiano, come il platino”. Interessante anche l'analisi dell'efficienza effettuata da Pedro Prieto per il portale 15-15-15. https://www.15-15-15.org/webzine/2020/12/07/un-breve-analisis-de-la-eficiencia-de-ciclo-completo-de-la-economia-del-hidrogeno-verde/  

5 Tratto dalla Tabella di Marcia o Road Map dell'idrogeno rinnovabile https://www.miteco.gob.es/es/ministerio/planes-estrategias/hidrogeno/default.aspx

6 Risoluzione del Parlamento europeo del 19 maggio 2021 su una strategia europea per l'idrogeno (2020/2242(INI)) 

7 Dati estratti dalla Tabella di Marcia spagnola per l'idrogeno rinnovabile
https://www.miteco.gob.es/es/prensa/ultimas-noticias/el-gobierno-aprueba-la-hoja-de-ruta-del-hidr%C3%B3geno-una-apuesta-por-el-hidr%C3%B3geno-renovable/tcm:30-513814   

8 Per ulteriori informazioni sui tipi di elettrolizzatori, vedere la tabella di marcia spagnola per l'idrogeno rinnovabile

9 Estratto dal libro della Fondazione Naturgy  https://www.fundacionnaturgy.org/publicacion/hidrogeno-vector-energetico-de-una-economia-descarbonizada/ 

10 “Prospettive per lo sviluppo di un mercato globale dell'idrogeno. Implicazioni per i CAPV -Comunità Autonoma dei Paesi Baschi”.  Orkestra, 2021. https://www.orkestra.deusto.es/es/investigacion/publicaciones/informes/cuadernos-orkestra/2169-210006-perspectivas-desarrollo-mercado-global-hidrogeno-implicaciones-capv  

11 Maggiori informazioni sul programma tedesco per l'innovazione possono essere trovate su https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/fuce.200800124  

12 Maggiori informazioni sul filone specifico dell'idrogeno nel programma tedesco per l'innovazione possono essere trovate su
 https://juser.fz-juelich.de/record/135833/files/78_11.pdf   

13 Maggiori informazioni sulla percezione della cittadinanza tedesca si possono trovare nell'articolo di Rene' Zimmer e Jo¨rg Welke “Diventiamo verdi con l'idrogeno! Il punto di vista del pubblico in generale”, disponibile all'indirizzo: 
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319912004909    

14 Maggiori informazioni sugli usi dell'idrogeno come materiale si possono trovare ne “L'idrogeno come materia prima” di W. Schnurnberger disponibile su: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-61561-0_4  

15 Maggiori informazioni nel rapporto “Decrescita dell'aviazione: la riduzione del trasporto aereo in modo corretto”, di Ecologistas en Acción. Disponibili su: https://www.ecologistasenaccion.org/136912/aviacion-y-emisionesuna-relacion-de-altos-vuelos-que-es-necesario-frenar/  

16 Particolarmente preoccupante è l'aumento di attività come il turismo delle navi da crociera. Maggiori informazioni nel comunicato stampa di Ecologistas en Acción “Il turismo da crociera cresce in volume e anche per inquinamento e impatti socio-ambientali” Disponibile su:
 https://www.ecologistasenaccion.org/134447/el-turismo-de-cruceroscrece-en-volumen-y-tambien-en-contaminacion-e-impactos-socioambientales/  

17 Maggiori informazioni  si possono trovare nel rapporto dell'Agenzia Internazionale dell'Energia “Il ruolo dei minerali critici nelle transizioni verso energia pulita” disponibile su: https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions

18 Un'approssimazione dei costi energetici dei sistemi di stoccaggio di batteria e idrogeno può essere trovata nello studio “Idrogeno o batterie per lo stoccaggio in rete? Un'analisi dell'energia netta” disponibile su  https://www.researchgate.net/publication/275056722_Hydrogen_or_batteries_for_grid_storage_A_net_energy_analysis   

19 Maggiori informazioni [Rapporto] Biocarburanti: aggiungere legna al fuoco https://www.ecologistasenaccion.org/138703/informe-biocombustibles-mas-lena-al-fuego/ 
 

23 maggio 2022 (pubblicato qui il 30 maggio 2022)