Previsioni e sviluppo dell'idrogeno

La prospettiva nazionale e gli scenari futuri

Luigi Mazzocchi - RSE - RSE - Ricerca sul Sistema Energetico

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Il futuro dell'idrogeno
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A partire da uno scenario di riferimento (PNIEC) RSE ha analizzato percorsi che permettano di raggiungere al 2050 la neutralità carbonica del sistema economico italiano (Long Term Strategy). Modello TIMES_RSE del sistema energetico nazionale: raggiungimento al minimo costo degli obiettivi prefissati al 2050. Nella transizione energetica l'uso dell'idrogeno come vettore di energia ha assunto un ruolo di primo piano. La crescita di un suo mercato a basse emissioni comporta importanti sfide tecnologiche, economiche e sociali. Da affrontare, anche in Italia.

Produzione e usi attuali dell'idrogeno
La produzione mondiale di idrogeno vale oggi 70 Mt/anno (in Italia 0,5 Mt/anno), in grandissima parte ottenute da reforming del gas naturale o altri idrocarburi, e in minor misura dalla gassificazione del carbone.

L'uso di fonti fossili fa dell'idrogeno oggi prodotto (cosiddetto << grigio >>) un vettore per nulla adatto alla decarbonizzazione: la sua produzione comporta l'emissione a livello mondiale di circa 830 MtCO2/anno I settori di impiego principali sono:
- La raffinazione del petrolio;
- La sintesi dell'ammoniaca.

I << colori >> dell'idrogeno
- Idrogeno << grigio >>: produzione da fonti fossili, con emissione di rilevanti quantità di CO2 in atmosfera (tipicamente 7 ÷ 8 kgCO2/kgH;
- Idrogeno << verde >>: per via elettrochimica si converte energia elettrica da Fonti di Energia Rinnovabile (FER) in idrogeno. Questa forma di produzione è concettualmente a << emissioni zero >>, in realtà è più corretto considerare i costi energetici necessari per costruire gli impianti FER: le emissioni sono dell'ordine di 1 kgCO2/kgH2;
- Idrogeno << blu >>: la produzione avviene come nel caso dell'drogeno grigio, ma la CO2 prodotta viene per la maggior parte separata, immagazzinata in modo permanente o utilizzata per altri scopi. Le emissioni di CO2 in questo caso possono essere paragonabili a quelle dell'idrogeno verde.

Perché ricorrere al vettore idrogeno?
È un vettore ottenibile in modo semplice dall'energia elettrica o dagli idrocarburi. È molto versatile negli usi finali. Inoltre, non genera emissioni di gas serra nella fase di utilizzo.

Due motivi concomitanti, entrambi legati agli obiettivi di decarbonizzazione, rendono attraente l'uso dell'idrogeno come vettore energetico:
- La penetrazione delle rinnovabili elettriche richiede nuove risorse di flessibilità per riserva, bilanciamento, contenimento degli sprechi di energia (overgeneration): produrre H 2 è una soluzione, assieme e in parte in alternativa all'accumulo elettrico;
- La decarbonizzazione di molti settori si traduce spesso, ma non sempre, in elettrificazione dei consumi, quando ciò non è possibile o è poco conveniente, l'idrogeno e i suoi derivati sono la principale alternativa.

L'idrogeno: limitazioni e barriere
- La domanda di H 2 oggi è scarsa (in Italia, circa 1 % dei consumi finali di energia);
- Non esistono infrastrutture di trasporto dedicata;
- Produrre H2 da EE è poco efficiente;
- Elettrolisi: richiede rilevanti investimenti;
- Idrogeno <> corrisponde a bassa produttività (1000÷2000 ore/anno):
o Idrogeno green costoso (5÷10 volte il gas naturale, a pari energia).
- La produzione di H 2 a più basso costo è da gas naturale (idrogeno << grigio >>.).. ma genera forti emissioni di CO2;
- La produzione di H 2 da gas naturale può essere abbinata alla CCS (idrogeno << blu >>): ha costi poco superiori a quello grigio, ha basse emissioni di CO2 come quello verde, ma:
o Non contribuisce alla flessibilità del sistema elettrico;
o Lo stoccaggio geologico (unica soluzione per grandi quantità di CO2) è problematico; sinora, risulta praticabile solo in alcune aree.

Scenari di penetrazione dell'idrogeno al 2050
- A partire da uno scenario di riferimento (PNIEC) RSE ha analizzato percorsi che permettano di raggiungere al 2050 la neutralità carbonica del sistema economico italiano (Long Term Strategy);
- Modello TIMES_RSE del sistema energetico nazionale: raggiungimento al minimo costo degli obiettivi prefissati al 2050.

Elementi chiave per la decarbonizzazione:
- Prima di tutto, aumentare l'efficienza nell'uso dell'energia;
- Totale decarbonizzazione della generazione elettrica grazie a fonti rinnovabili, incluse tecnologie con emissioni negative (CCS associata a biomasse/biogas);
- Significativa elettrificazione, fino al 56% dei consumi finali: in particolare, nei settori civile (oltre il 60%) e nel settore trasporti tra il 40% e il 50% trainato dalla penetrazione nel comparto auto e bus;
- Cambio radicale nel mix energetico a favore di vettori carbon free, inclusi l'idrogeno e i combustibili sintetici derivati da idrogeno ed energia elettrica (P2X).

1. L'elettricità rinnovabile decarbonizza gran parte dei consumi (elettrificazione);
2. Non è possibile sostituire i combustibili fossili solo con l'elettricità;
3. Il vettore idrogeno è utilizzato prima nei settori con elevato costo di abbattimento delle emissioni, come trasporto merci e industrie (acciaio, vetro, chimica...);
4. Crescita delle rinnovabili ? quantità di idrogeno prodotto aumenta ? immissione in rete ? uso di quota di (per industria) H2 in altri settori, anche civile.

Attività di ricerca su power-to-gas e idrogeno
RSE nell'ambito della Ricerca di Sistema ha affrontato problematiche relative alla produzione, stoccaggio e utilizzo dell'idrogeno, tra cui:
- Trasporto (test su valvole) e utilizzo (in motori a gas) di miscele di gas naturale e idrogeno fino al 20 vol%;
- Realizzazione e sperimentazione di prototipi di accumuli di idrogeno in idruri di magnesio.
Attualmente si stanno studiando:
- Produzione diretta da fonte solare;
- Utilizzo delle miscele gas naturale idrogeno negli usi finali;
- Impieghi dell'idrogeno nell'industria (siderurgia), nel sistema idrico e nei trasporti;
- Produzione di metano di sintesi da H2 + CO2 biologica.

Attività di supporto scientifico alle Istituzioni
RSE svolge attività di supporto scientifico alle istituzioni. Nell'ambito delle tecnologie dei gas << carbon free >> si segnalano:
- Supporto ad ARERA sugli utilizzi innovativi delle reti di trasporto: sviluppo di tecnologie innovative per l'integrazione di gas diversi dal gas naturale nelle reti di esistenti (DCO 39/2020);
- Studi a supporto del MiTE per la Strategia Nazionale dell'Idrogeno;
- Partecipazione ai lavori normativi in UNI, CIG e CEI e presenza in gruppi di lavoro internazionali:
o CEN JTC 6, Hydrogen in Energy Systems;
o IEC TC 105, Fuel cell technologies.