L’era dell’idrogeno è davvero alle porte? \1

Negli ultimi anni l’idrogeno ha risvegliato l’interesse di molti per il potenziale impiego nella decarbonizzazione di vari usi energetici. Anche in Europa c’è grossa attesa per un suo sviluppo al 2050. Una valutazione complessiva deve però tener conto delle possibili implicazioni in termini di costi e sicurezza. L’era dell’idrogeno è davvero già arrivata?

Negli ultimi anni si è assistito a numerose dichiarazioni di interesse per l’idrogeno, dall’Australia al Cile passando per Cina, Medio Oriente, Nord America, con una gran cassa di risonanza dei media. Per l’Europa il culmine è arrivato l’8 luglio con la comunicazione della Commissione “A Hydrogen strategy for a climate-neutral Europe”, che pone l’idrogeno come elemento chiave per un’economia a emissioni zero entro il 2050.

L’interesse per l’idrogeno muove dalle molteplici potenziali applicazioni in svariati usi finali

Il tema di fondo più diffuso è che l’idrogeno – che bruciando genera acqua e non CO₂ – possa essere realizzato dall’elettrolisi dell’acqua con fonti rinnovabili (idrogeno ‘verde’) e utilizzato negli edifici, nei trasporti, nell’industria e in servizi ancillari del settore elettrico. Sarebbe una rivoluzione per i sistemi energetici europei, ma a quali condizioni e tempi potrebbe realizzarsi?

Le potenziali applicazioni dell’idrogeno (H₂) nei vari settori sono note da molti decenni e nel 2002 anche Jeremy Rifkin profetizzava la nuova era dell’idrogeno. La prospettiva è cambiata con l’esplosione delle rinnovabili non programmabili come eolico e fotovoltaico[1], che richiedono sistemi di stoccaggio giornalieri, settimanali e stagionali e altri servizi di rete per garantire sicurezza e qualità nelle forniture da un settore elettrico sempre più importante nell’economia energetica. Per una celere ‘esplosione’ dell’idrogeno, come ventilato da più parti, occorrerebbe, tuttavia, ritornare su alcuni ‘numeri’ e verificare anche implicazioni economiche e di sicurezza.

La produzione di idrogeno avviene oggi per circa il 99% – direttamente o indirettamente – da fonti fossili con relative notevoli emissioni di CO₂

L’idrogeno non è praticamente presente allo stato libero sulla terra e deve essere prodotto con svariate tecnologie con differenti emissioni di CO₂[2]. Non è quindi una risorsa energetica primaria. Secondo IRENA, la produzione a livello globale oggi avviene da combustibili fossili (metano 48%, petrolio 30%, carbone 18% ed elettrolisi dell’acqua 4%) con notevoli emissioni di CO₂ e rappresenta, con le sue circa 115 milioni di ton/anno nel 2019 (pari a 345 mil. tep), poco meno del 2,5% delle globali energie primarie consumate. Produzione e consumi di idrogeno hanno avuto un incremento medio annuo del 2,8% dal 1990.

Vale la pena riportare in sintesi le caratteristiche energetiche dell’idrogeno e del metano, tralasciando i dati relativi al primo su infiammabilità, coefficiente di diffusione etc. che pongono ancora sfide per la sua estesa applicazione.

Caratteristiche dell’idrogeno e del metano

Dalla tabella appare evidente che il contenuto energetico dell’idrogeno per unità di peso è 2,4 volte quello del metano, ma in volume sia allo stato gassoso che liquido è di 3,2 volte inferiore. Ciò assume grande rilevanza per i costi di trasporto dell’energia e per lo stoccaggio, tenendo anche conto che la temperatura di liquefazione (-253 °C) è ben inferiore a quella del metano.

Venendo a dati concreti come presentati a latere del Congresso Mondiale dell’Energia nel settembre 2019 nella sessione «Hydrogen, bridging sectors and regions», l’attuale costo di produzione a livello mondiale di idrogeno ‘nero’ da fonti fossili (senza penalizzazioni per CO₂ emessa) varia tra 1,25 e 2,5 dollari al chilogrammo, e cioè 37,50-75,00 doll/MWh (37,5 euro/MWh in UE secondo la Commissione europea).

Secondo Hydrogen Europe, l’idrogeno prodotto oggi con eolico onshore tedesco a 60 euro/MWh e con 2.000 ore equivalenti di funzionamento alla massima potenza (load factor) costerebbe circa 7,80 euro/kg, corrispondenti a 235 euro/MWh, un valore notevolmente elevato.

Un problema dell’idrogeno sono i costi elevati, sia attuali che in prospettiva al 2050: 42 doll/MWh secondo ottimistiche previsioni di miglioramento dell’efficienza, un prezzo ben superiore ai 13 euro/MWh dei mercati UE del metano pre-COVID

Per rendere competitivo l’idrogeno verde si prevedono ingenti investimenti per aumentare l’efficienza al 75% e la taglia degli elettrolizzatori fino a oltre 100 MW entro il 2030 (successivamente fino a 1.000 MW). Tuttavia, anche ipotizzando per i prossimi anni una forte riduzione dei costi di investimento (CAPEX) per gli elettrolizzatori, il prezzo dell’idrogeno resterebbe alto:

• con oltre un dimezzamento a 500 euro/kW, Hydrogen Europe ha mostrato un prezzo dell’idrogeno al 2030 di 3 euro/kg (90 euro/MWh), con elettricità a 50 euro/MWh da eolico offshore e un load factor di 4.500 ore/anno;

• con più che un ulteriore dimezzamento al 2050 rispetto al 2030 e un load factor di 4.200 ore/anno di energia rinnovabile a 20 doll/MWh, IRENA ipotizza un costo di produzione dell’idrogeno all’uscita dell’elettrolizzatore di 1,4 doll/kg (42 doll/MWh, un prezzo ben superiore ai 13 euro/MWh dei mercati UE del metano pre-COVID 19 che li ha fatti crollare).

Con la riduzione del CAPEX degli elettrolizzatori, la principale componente del costo di produzione dell’idrogeno resta il prezzo dell’energia rinnovabile utilizzata. Viene generalmente considerato un elettrolizzatore a bocca di produzione elettrica o collegato con una linea ‘diretta’ per evitare gli oneri di trasporto e vari oneri addizionali legati a un collegamento alla rete elettrica.

Ma qui si pone il problema del trasporto dell’idrogeno [3], sia in relazione alla sua bassa densità energetica per unità di volume e sia agli standard di sicurezza, ancora tutti da definire.

[Parte seconda]

Alessandro Clerici è Presidente Onorario FAST e Past President AEIT

Su idrogeno leggi anche:

L’idrogeno verde passa dal giallo e dal blu, di Stefano Verde, 1 luglio 2020
Transizione energetica europea a rischio, di Redazione, 25 giugno 2020
Il prestigiatore, di Alberto Clò, 24 ottobre 2019

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