Ancora lontani da una produzione intensiva di idrogeno verde

SPECIALE IDROGENO. L'economia dell'idrogeno è un'alternativa ecologica all'attuale economia dei combustibili fossili. Un futuro di energia rinnovabile dovrà essere costruito insieme all'economia dell'idrogeno, e si ipotizza che l'idrogeno sarà il creatore di ponti per far incontrare domanda e offerta.

#idrogeno, #transizioneenergetica



Argomenti trattati

Il ruolo dell’idrogeno nella transizione ecologica: la grande sfida

I colori dell’idrogeno

Produzione dell’idrogeno, in generale

Idrogeno dalla pirolisi

Idrogeno da combustibili fossili, steam reforming

La plasmalisi per produrre idrogeno

Idrogeno dalla gassificazione delle biomasse

Idrogeno dall’elettrolisi

Idrogeno dalla fotoelettrolisi

La North Adriatic Hydrogen Valley

Dalla produzione allo stoccaggio e trasporto dell’idrogeno

   Introduzione

   Perché utilizzare l’idrogeno come vettore

   Le infrastrutture per il trasporto dell’idrogeno



 

Introduzione

Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili  e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.

Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata. 

E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile. 

La produzione attuale di idrogeno si basa su uno stretto numero di tecnologia: steam reforming del metano, reforming della nafta, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi, elettrolisi dell’acqua.

Nonostante la crescente diffusione dell'idrogeno pulito in tutta Europa, la capacità di produzione di idrogeno convenzionale ha rappresentato il 99,3% del totale nel 2020

Il settore per l'idrogeno rinnovabile sta aumentando. In parte a causa dell'aumento vertiginoso dei prezzi del gas naturale, i costi medi di produzione dell'idrogeno fossile per il 2021 sono stati stimati a 2,65 EUR/kg e sono cresciuti fino a 10 EUR/kg nell'agosto 2022. Di conseguenza, l'idrogeno rinnovabile ha iniziato a diventare competitivo in termini di costi rispetto all'idrogeno fossile. I costi stimati di produzione di idrogeno rinnovabile nell'UE, nel Regno Unito e in Norvegia nel 2021 variano da 3,3 EUR/kg a 6,5 EUR/kg, mentre, in aree geografiche limitate con le migliori condizioni di irraggiamento solare e vento, è possibile ridurre tali costi fino a 2,2-2,9 EUR/kg.

Le rinnovabili hanno lo svantaggio di essere intermittenti, i periodi di surplus di rinnovabili saranno utilizzati per produrre idrogeno (power-to-X), che è un vettore energetico verde e sostenibile.

In questo modo, quando le energie rinnovabili non sono disponibili, l'idrogeno può essere utilizzato come vettore di accumulo di energia per fornire l'energia necessaria e decarbonizzare i settori che sono difficili da elettrificare. Inoltre l’idrogeno può diventare un vettore per trasportare l’energia nelle lunghe distanze.

 Perché utilizzare l’idrogeno come vettore

La produzione di idrogeno verde ha, al momento, una bassa efficienza.

Secondo le stime di SNAM, il trasporto di energia elettrica dal Nord Africa all'Italia sotto forma di idrogeno via gasdotto costerebbe circa il 13% del costo di utilizzo di una linea ad alta tensione e circa l'8% del costo per produrre e spedire ammoniaca verde.

Il vantaggio fondamentale dell'idrogeno rispetto all'elettricità è la sua densità energetica. Un singolo chilogrammo di idrogeno contiene la stessa energia di 3 kg di petrolio o di una tonnellata di carbone, rendendolo un vettore per il trasporto e lo stoccaggio.

Inoltre, l'idrogeno non rilascia sostanze inquinanti durante la combustione, rendendolo una fonte di energia pulita.

Una necessità fisica per la realizzazione di questo commercio è il trasporto dell'idrogeno su lunghe distanze.

Devono accadere alcune cose affinché l'economia dell'idrogeno prenda piede

In primo luogo, le energie rinnovabili devono essere sviluppate oltre all'idrogeno.

In secondo luogo, devono essere sviluppate infrastrutture di trasporto e stoccaggio per immagazzinare l'idrogeno.

In terzo luogo, la tecnologia necessaria per convertire l'energia rinnovabile in idrogeno deve essere perfezionata.

Le infrastrutture per il trasporto dell’idrogeno

Le infrastrutture di trasporto e stoccaggio dell'idrogeno svolgeranno un ruolo cruciale nello sviluppo dell'economia dell'idrogeno. Sebbene i gasdotti siano il modo più economico per trasportare l'idrogeno,  la ristrutturazione o la costruzione di nuove infrastrutture richiede tempo.

Pertanto, lo sviluppo delle necessarie infrastrutture di trasporto e stoccaggio è fondamentale.

Come nella figura 3, è possibile fare una panoramica semplificata quando si esamina il trasporto dell'idrogeno e l'infrastruttura associata necessaria.

Liquido, solido e gassoso sono tre modi principali per trasportare e immagazzinare l'idrogeno. Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Idrogeno liquido. Le molecole di idrogeno vengono raffreddate a -253°C nei terminal portuali prima di essere caricate su navi cisterna altamente isolate

Portatori di idrogeno liquido e portatori di idrogeno organico liquido (LHC/LOHC). Una lista di diversi composti (il più delle volte organici) può assorbire e rilasciare idrogeno attraverso una reazione chimica. Gli LHC e i LOHC possono fungere da mezzo di stoccaggio e trasporto per l'idrogeno e possono essere trasportati come liquidi senza raffreddamento.

I LOHC possono quindi essere usati come supporti di immagazzinamento per l'idrogeno. In linea di principio, ogni composto insaturo (molecole organiche con doppi o tripli legami CC ) può assorbire idrogeno durante l'idrogenazione. La sequenza di deidrogenazione endotermica seguita dalla purificazione dell'idrogeno è considerata il principale inconveniente che limita l'efficienza complessiva del ciclo di stoccaggio

I LOHC sono molto simili al petrolio greggio e ai prodotti petroliferi, quindi l'infrastruttura esistente per il trasporto del petrolio potrebbe persino essere adattata per trasportare i LOHC.

Ammoniaca. L'idrogeno può essere convertito in ammoniaca reagendo con l'azoto, richiedendo solo elettricità, acqua e aria. L'ammoniaca ha una densità energetica molto più alta dell'idrogeno; quindi, più energia può essere scambiata. Esiste un commercio internazionale consolidato di ammoniaca che può essere sfruttato.

I portatori di idrogeno inorganici solidi (SIHC) L'idrogeno viene legato ad altri materiali (ad esempio i boroidruri) in una reazione chimica ad alta intensità energetica.

Per liberare l'idrogeno, la polvere ad alta energia viene miscelata con acqua e, immergendo una piastra catalitica nel liquido, si innesca una forte reazione esotermica (a 40°C-80°C) che oltre a liberare le molecole di idrogeno contenute la polvere ma scinde anche l'acqua aggiunta - con il risultato che la quantità di idrogeno originariamente contenuta nella polvere viene raddoppiata.

Ciò rende la densità volumetrica di stoccaggio dell'energia dei SIHC superiore alle opzioni alternative di stoccaggio dell'idrogeno. Il processo è un ciclo: il materiale disidratato è un liquido (metaborato) che viene reidrogenato per produrre boroidruro fresco. Il valore aggiunto dei SIHC risiede nell'elevata densità energetica della polvere, nel processo di rilascio semplice e automatico e nella conformità della cella a combustibile dell'idrogeno rilasciato (purezza, pressione e temperatura).

 

Riferimenti

BP, Statistical Review of World Energy. (2021).

Peakoil

Andreas Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016

Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)

RMI, Energia pulita 101: Idrogeno

ENEA,  I ‘colori’ dell’idrogeno nella transizione energetica

Hydrogen Europe,  Hydrogen - a carbon-free energy carrier and commodity, novembre 2021

Convington, New Definitions for Blue and Green Hydrogen: The European Commission’s Package on Hydrogen and Decarbonized Gas Markets

GlobalData, Hydrogen

Kompakt, Pyrolysis, ottobre 2022

Lee et al., Scenario-Based Techno-Economic Analysis of Steam Methane Reforming Process for Hydrogen Production, Appl. Sci. 2021, 11(13), 6021; https://doi.org/10.3390/app11136021

Energoclub, steam reforming

GICO Project

Sotacarbo, Idrogeno verde: elettrolisi ed elettrolizzatori

ScienceDirect, Photoelectrochemical Cell

HydrogenEurope, Clean Hydrogen Monitor 2022

AdriaPorts, Trieste, fotovoltaico per produzione idrogeno con 14 milioni del Pnrr

Pozio et al, L’ACCUMULO CHIMICO DELL’IDROGENO MEDIANTE NABH4, la Chimica & L’industria, 2007

 

 La North Adriatic Hydrogen Valley



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