Cos'è l'idrogeno verde e perché ne abbiamo bisogno

È giunto il momento di sfruttare il potenziale dell'idrogeno per svolgere un ruolo chiave nell'affrontare le sfide energetiche critiche. I recenti successi delle tecnologie per l'energia rinnovabile e dei veicoli elettrici hanno dimostrato che le politiche e l'innovazione tecnologica hanno il potere di costruire industrie globali di energia pulita.

L'idrogeno sta emergendo come una delle opzioni principali per immagazzinare energia da fonti rinnovabili con combustibili a base di idrogeno che potenzialmente trasportano energia da fonti rinnovabili su lunghe distanze, da regioni con abbondanti risorse energetiche, ad aree affamate di energia a migliaia di chilometri di distanza.

L'idrogeno verde è stato protagonista di una serie di impegni di riduzione delle emissioni alla Conferenza delle Nazioni Unite sul clima, COP26, come mezzo per decarbonizzare l'industria pesante, il trasporto merci a lungo raggio, il trasporto marittimo e l'aviazione. I governi e l'industria hanno entrambi riconosciuto l'idrogeno come un importante pilastro di un'economia netta zero.

The Green Hydrogen Catapult, un'iniziativa delle Nazioni Unite per ridurre il costo dell'idrogeno verde, ha annunciato che sta quasi raddoppiando il suo obiettivo per gli elettrolizzatori verdi da 25 gigawatt fissati l'anno scorso, a 45 gigawatt entro il 2027. La Commissione europea ha adottato una serie di leggi proposte per decarbonizzare il mercato del gas dell'UE facilitando l'adozione di gas rinnovabili ea basse emissioni di carbonio, compreso l'idrogeno, e per garantire la sicurezza energetica a tutti i cittadini in Europa. Anche gli Emirati Arabi Uniti stanno aumentando l'ambizione, con la nuova strategia del paese sull'idrogeno che mira a detenere un quarto del mercato globale dell'idrogeno a basse emissioni di carbonio entro il 2030 e il Giappone ha recentemente annunciato che investirà 3,4 miliardi di dollari dal suo fondo per l'innovazione verde per accelerare la ricerca e lo sviluppo e promozione dell'uso dell'idrogeno nei prossimi 10 anni.

Potresti incontrare i termini "grigio", "blu", "verde" associati quando descrivi le tecnologie dell'idrogeno. Tutto dipende dal modo in cui viene prodotto. L'idrogeno emette solo acqua quando viene bruciato, ma la sua creazione può essere ad alta intensità di carbonio. A seconda dei metodi di produzione, l'idrogeno può essere grigio, blu o verde e talvolta anche rosa, giallo o turchese. Tuttavia, l'idrogeno verde è l'unico tipo prodotto in modo neutrale dal punto di vista climatico, il che rende fondamentale raggiungere lo zero netto entro il 2050.

Abbiamo chiesto al dottor Emanuele Taibi, Head of the Power Sector Transformation Strategies, International Renewable Energy Agency (IRENA) di spiegare cos'è l'idrogeno verde e come potrebbe aprire la strada verso emissioni nette zero. Attualmente ha sede presso l'IRENA Innovation and Technology Center di Bonn, in Germania, dove è responsabile dell'assistenza ai paesi membri nell'elaborazione di strategie per la trasformazione del settore energetico e attualmente gestisce il lavoro sulla flessibilità del sistema elettrico, l'idrogeno e lo stoccaggio come elementi chiave abilitanti per la transizione energetica. Il dottor Taibi è anche co-curatore della piattaforma Strategic Intelligence del World Economic Forum, dove il suo team ha sviluppato la mappa di trasformazione dell'idrogeno.

Tecnologie dell'idrogeno verde

Cosa ti ha motivato a sviluppare la tua esperienza nelle tecnologie energetiche e come contribuisce il tuo lavoro in IRENA?

È stato durante la tesi di laurea. Ho svolto uno stage presso l'Agenzia Nazionale per l'Energia e l'Ambiente (ENEA), dove ho imparato a conoscere lo sviluppo sostenibile e l'energia, e il nesso tra i due. Ho scritto la mia tesi in ingegneria gestionale a riguardo e ho deciso che questa era l'area su cui volevo concentrare la mia vita lavorativa. Avanti veloce di quasi 20 anni di esperienza nell'energia e nella cooperazione internazionale, un dottorato di ricerca in tecnologie energetiche e tempo trascorso nel settore privato, ricerca e agenzie intergovernative, attualmente guido il team di trasformazione del settore energetico presso IRENA dal 2017.

Il mio lavoro in IRENA consiste nel contribuire, con il mio team e in stretta collaborazione con i colleghi dell'agenzia e partner esterni come il World Economic Forum, nel supportare i nostri 166 Paesi membri nella transizione energetica, con particolare attenzione alla fornitura di energia elettrica rinnovabile e alla sua utilizzare per decarbonizzare il settore energetico attraverso elettroni verdi e molecole verdi come l'idrogeno e i suoi derivati.

Cos'è l'idrogeno verde? In che cosa differisce dall'idrogeno "grigio" e dall'idrogeno blu tradizionali ad alta intensità di emissioni?

L'idrogeno è l'elemento più semplice e più piccolo della tavola periodica. Non importa come viene prodotto, finisce con la stessa molecola priva di carbonio. Tuttavia, i percorsi per produrlo sono molto diversi, così come le emissioni di gas serra come l'anidride carbonica (CO2) e il metano (CH4).

L'idrogeno verde è definito come l'idrogeno prodotto dalla scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando elettricità rinnovabile. Questo è un percorso molto diverso rispetto al grigio e al blu.

L'idrogeno grigio è tradizionalmente prodotto dal metano (CH4), diviso con il vapore in CO2 – il principale responsabile del cambiamento climatico – e H2, idrogeno. L'idrogeno grigio è stato sempre più prodotto anche dal carbone, con emissioni di CO2 significativamente più elevate per unità di idrogeno prodotta, tanto che viene spesso chiamato idrogeno marrone o nero anziché grigio. Oggi è prodotto su scala industriale, con emissioni associate paragonabili alle emissioni combinate di Regno Unito e Indonesia. Non ha alcun valore di transizione energetica, anzi.

L'idrogeno blu segue lo stesso processo del grigio, con le tecnologie aggiuntive necessarie per catturare la CO2 prodotta quando l'idrogeno viene scisso dal metano (o dal carbone) e immagazzinarlo a lungo termine. Non è un colore, ma piuttosto una gradazione molto ampia, poiché non è possibile catturare il 100 percento della CO2 prodotta e non tutti i mezzi per conservarla sono ugualmente efficaci a lungo termine. Il punto principale è che catturando gran parte della CO2, l'impatto sul clima della produzione di idrogeno può essere ridotto in modo significativo.

Ci sono tecnologie (es. pirolisi del metano) che promettono alti tassi di cattura ({0}} percento) e un efficace stoccaggio a lungo termine della CO2 in forma solida, potenzialmente così tanto meglio del blu da meritare il proprio colore nel " tassonomia dell'idrogeno rainbow", idrogeno turchese. Tuttavia, la pirolisi del metano è ancora in fase pilota, mentre l'idrogeno verde sta crescendo rapidamente sulla base di due tecnologie chiave: l'energia rinnovabile (in particolare da solare fotovoltaico ed eolico, ma non solo) e l'elettrolisi.

A differenza dell'energia rinnovabile, che oggi è la fonte di elettricità più economica nella maggior parte dei paesi e delle regioni, l'elettrolisi per la produzione di idrogeno verde deve aumentare significativamente e ridurre i suoi costi di almeno tre volte nei prossimi dieci o due anni. Tuttavia, a differenza del CCS e della pirolisi del metano, l'elettrolisi è oggi disponibile in commercio e può essere acquistata pressopiù fornitori internazionali in questo momento.

Soluzioni energetiche a idrogeno verde

Quali sono i meriti delle soluzioni di transizione energetica verso un'economia dell'idrogeno "verde"? Come potremmo passare a un'economia dell'idrogeno verde da dove siamo attualmente con l'idrogeno grigio?

L'idrogeno verde è un elemento importante della transizione energetica. Non è il prossimo passo immediato, poiché dobbiamo prima accelerare ulteriormente la diffusione dell'elettricità rinnovabile per decarbonizzare i sistemi energetici esistenti, accelerare l'elettrificazione del settore energetico per sfruttare l'elettricità rinnovabile a basso costo, prima di decarbonizzare finalmente i settori difficili da elettrificare - come l'industria pesante, la navigazione e l'aviazione, attraverso l'idrogeno verde.

È importante notare che oggi produciamo quantità significative di idrogeno grigio, con elevate emissioni di CO2 (e metano): la priorità sarebbe iniziare a decarbonizzare la domanda di idrogeno esistente, sostituendo ad esempio l'ammoniaca da gas naturale con l'ammoniaca verde.

Studi recenti hanno acceso un dibattito sul concetto di idrogeno blu come combustibile di transizione fino a quando l'idrogeno verde non diventa competitivo in termini di costi. In che modo l'idrogeno verde potrebbe diventare competitivo in termini di costi rispetto all'idrogeno blu? Che tipo di investimenti strategici devono avvenire nel processo di sviluppo tecnologico?

Il primo passo è fornire un segnale affinché l'idrogeno blu sostituisca il grigio, poiché senza un prezzo per l'emissione di CO2, non vi è alcuna possibilità commerciale per le aziende di investire in complessi e costosi sistemi di cattura del carbonio (CCS) e depositi geologici di CO2. Una volta che il quadro è tale per cui l'idrogeno a basse emissioni di carbonio (blu, verde, turchese) è competitivo con l'idrogeno grigio, allora la domanda diventa: dovremmo investire in CCS se il rischio è di avere attività incagliate e quanto presto il verde diventerà più economico di blu.

La risposta sarà ovviamente diversa a seconda della regione. In un mondo netto zero, obiettivo per il quale sempre più paesi si stanno impegnando, le emissioni residue dell'idrogeno blu dovrebbero essere compensate con emissioni negative. Questo avrà un costo. Parallelamente, i prezzi del gas sono stati molto volatili ultimamente, lasciando il prezzo dell'idrogeno blu altamente correlato al prezzo del gas ed esposto non solo all'incertezza sui prezzi della CO2, ma anche alla volatilità dei prezzi del gas naturale.

Per l'idrogeno verde, tuttavia, potremmo assistere a una storia simile a quella del solare fotovoltaico. È ad alta intensità di capitale, quindi dobbiamo ridurre i costi di investimento e il costo degli investimenti, aumentando la produzione di tecnologie rinnovabili ed elettrolizzatori, creando al contempo un prelievo a basso rischio per ridurre il costo del capitale per gli investimenti nell'idrogeno verde. Ciò porterà a un costo stabile e decrescente dell'idrogeno verde, al contrario di un costo volatile e potenzialmente crescente dell'idrogeno blu.

Le tecnologie per l'energia rinnovabile hanno già raggiunto un livello di maturità che consente una generazione competitiva di elettricità rinnovabile in tutto il mondo, un prerequisito per una produzione competitiva di idrogeno verde. Tuttavia, gli elettrolizzatori sono ancora utilizzati su scala molto piccola, e necessitano di un aumento di tre ordini di grandezza nei prossimi tre decenni per ridurre il loro costo di tre volte.

Oggi il gasdotto per i progetti di idrogeno verde è sulla buona strada per dimezzare il costo dell'elettrolizzatore entro il 2030. Questo, combinato con grandi progetti situati dove si trovano le migliori risorse rinnovabili, può portare a una disponibilità di idrogeno verde competitivo su larga scala nel prossimo {{1 }} anni. Ciò non lascia molto tempo all'idrogeno blu – ancora oggi in fase pilota – per passare dalla scala pilota a quella commerciale, implementare progetti complessi (ad esempio lo stoccaggio geologico di CO2 a lungo termine) su scala commerciale e a costi competitivi e recuperare gli investimenti effettuati nel prossimi 10-15 anni.

Diversi governi hanno ora incluso le tecnologie dei combustibili a idrogeno nelle loro strategie nazionali. Date le crescenti richieste di transizione verso la decarbonizzazione dell'economia e l'abilitazione di tecnologie con tassi di cattura del carbonio più elevati, quale consiglieresti ai responsabili politici e ai decisori che stanno valutando i pro ei contro dell'idrogeno verde?

Avremo bisogno di idrogeno verde per raggiungere emissioni nette zero, in particolare per l'industria, il trasporto marittimo e l'aviazione. Tuttavia, ciò di cui abbiamo più urgente bisogno è:

1) efficienza energetica;

2) elettrificazione;

3) crescita accelerata della produzione di energia rinnovabile.

Una volta ottenuto questo, ci rimane ca. Il 40 per cento della domanda deve essere decarbonizzato, ed è qui che abbiamo bisogno di idrogeno verde, bioenergia moderna e uso diretto delle rinnovabili. Una volta che aumenteremo ulteriormente l'energia rinnovabile per decarbonizzare l'elettricità, saremo in grado di espandere ulteriormente la capacità di energia rinnovabile per produrre idrogeno verde competitivo e decarbonizzare i settori difficili da abbattere con un costo aggiuntivo minimo.

Dove vede l'evoluzione delle tecnologie energetiche relative all'idrogeno entro il 2030? Possiamo anticipare i veicoli commerciali alimentati a idrogeno?

Vediamo l'opportunità di un rapido assorbimento dell'idrogeno verde nel prossimo decennio in cui la domanda di idrogeno esiste già: decarbonizzare l'ammoniaca, il ferro e altri prodotti esistenti. Molti processi industriali che utilizzano l'idrogeno possono sostituire il grigio con il verde o il blu, a condizione che la CO2 abbia un prezzo adeguato o siano messi in atto altri meccanismi per la decarbonizzazione di quei settori.

Per la spedizione e l'aviazione, la situazione è leggermente diversa. I carburanti drop-in, a base di idrogeno verde ma essenzialmente identici al carburante per jet e al metanolo prodotto dal petrolio, possono essere utilizzati negli aerei e nelle navi esistenti, con aggiustamenti minimi o nulli. Tuttavia, quei combustibili contengono CO2, che deve essere catturata da qualche parte e aggiunta all'idrogeno, per essere rilasciata nuovamente durante la combustione: questo riduce ma non risolve il problema delle emissioni di CO2. I combustibili sintetici possono essere impiegati prima del 2030, se sono in atto i giusti incentivi per giustificare il costo aggiuntivo delle emissioni ridotte (non eliminate).

Nei prossimi anni le navi potranno passare all'ammoniaca verde, un combustibile prodotto dall'idrogeno verde e dall'azoto dell'aria, che non contiene CO2, ma saranno necessari investimenti per sostituire motori e serbatoi e l'ammoniaca verde è attualmente molto più costosa dell'ammoniaca verde carburante.

Gli aerei a idrogeno (o ammoniaca) sono più lontani, e si tratterà essenzialmente di nuovi aerei che dovranno essere progettati, costruiti e venduti alle compagnie aeree per sostituire gli attuali aerei alimentati a jet fuel – chiaramente non fattibili entro il 2030: in questo senso, green jet il carburante, prodotto con una combinazione di idrogeno verde e bioenergia sostenibile, è una soluzione che può essere implementata a breve termine.

In conclusione, le principali azioni per accelerare la decarbonizzazione da qui al 2030 sono 1) efficienza energetica 2) elettrificazione con rinnovabili 3) rapida accelerazione della produzione di energia rinnovabile (che ridurrà ulteriormente il già basso costo dell'energia elettrica rinnovabile) 4) scale up di sostenibilità , moderna bioenergia, necessaria - tra l'altro - per produrre combustibili verdi che richiedono la decarbonizzazione con CO2 5) dell'idrogeno grigio con idrogeno verde, che porterebbe scala e ridurrebbe il costo dell'elettrolisi, rendendo l'idrogeno verde competitivo e pronto per un ulteriore crescere negli anni '30, verso l'obiettivo di raggiungere l'azzeramento delle emissioni nette entro il 2050.

Il World Economic Forum è un sostenitore di lunga data dell'agenda dell'idrogeno pulito dal 2017, avendo contribuito, tra l'altro, alla creazione dell'Hydrogen Council, all'istituzione di una sfida per l'innovazione dell'idrogeno in collaborazione con Mission Innovation e alla creazione, insieme al Energy Transitions Commission, della piattaforma Mission Possible per aiutare a portare i settori difficili da abbattere verso emissioni nette zero entro il 2050. Maggiori informazioni sull'accelerazione dell'iniziativa per l'idrogeno pulito qui.