L’idrogeno è un vettore energetico che può giocare un ruolo chiave nella decarbonizzazione dei sistemi energetici e di conseguenza nella transizione energetica delle nostre società. Dopo diversi ‘start-and-stops’, l’Agenzia Internazionale per l’Energia (AIE) sottolinea, in un recente report dedicato all'idrogeno, che le condizioni sono ora favorevoli affinché l’idrogeno si riaffacci nuovamente sulla scena del sistema energetico mondiale. Analizziamo qui di seguito opportunità e criticità.

L’idrogeno viene utilizzato a livello globale da molti anni triplicando, oggi, i livelli di utilizzazione rispetto al 1975. Ne viene utilizzata una quantità che sfiora le 70 milioni di tonnellate all’anno con applicazioni che riguardano specifici settori dell’industria come la raffinazione di idrocarburi, la produzione di chemicals (ammoniaca e metanolo) e la produzione di una quota di acciaio primario. Nonostante l’idrogeno possa essere prodotto da fonti rinnovabili, mediante i processi di elettrolisi dell’acqua, le fonti primarie utilizzate oggigiorno per produrre questo vettore energetico sono quasi interamente fossili, per una quota del 76% di gas naturale e del 23% di carbone. Attraverso processi termochimici (reforming o gassificazione), queste fonti vengono convertite in miscele gassose ricche in idrogeno che può essere separato e utilizzato nei diversi usi finali. Il contenuto di carbonio residuo viene quindi disperso in atmosfera in forma di anidride carbonica, generando complessivamente circa 830 milioni di tonnellate di anidride carbonica all’anno che corrispondono a circa 2 volte e mezza le emissioni di anidride carbonica italiane.

L’interesse attuale della comunità internazionale sul tema dell’idrogeno trova ragioni molto più ampie di quelle della sua applicazione in determinati settori industriali. Le ragioni sono essenzialmente tre e vanno ricercate nella transizione energetica in atto. In primo luogo, l’elevata penetrazione delle fonti rinnovabili nel sistema elettrico globale richiede sempre di più di identificare delle soluzioni per garantire flessibilità e sicurezza del sistema ­– l’idrogeno può giocare un ruolo chiave nello stoccaggio giornaliero, infrasettimanale e stagionale di energia elettrica rinnovabile (con le cosiddette tecnologie di power-to-gas). In secondo luogo, data la rilevanza strategica che l’infrastruttura del gas manterrà nel sistema energetico del futuro, è necessario identificare soluzioni innovative che tengano il passo delle trasformazioni in corso – l’idrogeno può, ad esempio, essere inserito in miscela nel metano di rete, e diverse sperimentazioni a riguardo sono già in atto in Europa e nel nostro paese. Infine, la terza ragione, riguarda la necessità di una decarbonizzazione ‘ampia’ degli usi finali che richiede l’utilizzo di vettori energetici diversificati al fine di sostenere la molteplicità delle trasformazioni energetiche che forniscono beni e servizi alle società moderne – l’idrogeno può contribuire a decarbonizzare settori quali i trasporti, la produzione di energia termica per riscaldamento e la produzione di calore di processo ad alta temperatura. 

L’idrogeno può pertanto rappresentare un importante anello di congiunzione tra la produzione di energia da fonti rinnovabili e un sistema energetico decarbonizzato, contribuendo a rendere il sistema più flessibile e sicuro

Il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima prevede, al 2030, una quota di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile del 55% che dovrebbe accompagnare il sistema elettrico verso una completa decarbonizzazione al 2050. In questo scenario, l’integrazione di quote elevate di energia elettrica da fonte rinnovabile potrebbe essere facilitato da tecnologie basate sull’idrogeno, che possano consentire la produzione di questo vettore energetico al fine di mitigare le congestioni sulla rete elettrica, dare flessibilità al sistema attraverso il trasporto multi-rete dell’energia e gestire la quota di sovragenerazione per far fronte, dunque, a sfasamenti temporali (anche stagionali) e geografici tra produzione da fonte rinnovabile e domanda.

Scrivevamo della seconda ragione, ovvero della rilevanza strategica che l’infrastruttura del gas manterrà nel sistema energetico del futuro sia per garantire una capacità di generazione controllabile al fine della sicurezza, sia per approvvigionare quegli usi finali che saranno difficilmente elettrificabili nel medio termine, specialmente alcuni processi industriali e il riscaldamento civile. Consolidare e innovare l’infrastruttura del gas, integrando le tecnologie per la produzione, trasporto, stoccaggio e utilizzo dell’idrogeno, può pertanto contribuire a una più spedita, flessibile, economica e sicura trasformazione del sistema energetico consentendo la penetrazione delle fonti rinnovabili in settori degli usi finali oggi interamente soddisfatti da fonti fossili.

È proprio sul fronte degli usi finali risiede la terza ragione di interesse sulle tecnologie dell’idrogeno. Sia negli usi finali civili, che negli industriali, che nei trasporti, l’idrogeno può trovare applicazioni molto significative e in sinergia con l’utilizzo di altri gas rinnovabili, come il biometano, consentendo di ridurre le emissioni di gas serra e inquinanti e di ridurre l’utilizzo di gas naturale, che nel nostro paese, è ancora fortemente legato alle importazioni.

A breve termine, le opportunità maggiori sono per l’idrogeno prodotto dal reforming catalitico di gas naturale integrato con sistemi di cattura dell’anidride carbonica (e definito nella letteratura scientifica come ‘blue hydrogen’ o ‘idrogeno decarbonizzato’).

Nel medio periodo, l’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili mediante processi di elettrolisi (e definito nella letteratura scientifica come ‘green hydrogen’ o ‘idrogeno rinnovabile’) potrà risultare competitivo ed esercitare le funzioni che fanno capo alle tre ragioni esposte. Ad oggi, il costo del green hydrogen è ancora troppo elevato (circa 4 volte il costo del blue hydrogen). Soltanto costi dell’energia elettrica molto bassi ed elevati fattori di capacità dell’utilizzo degli elettrolizzatori potranno permettere una reale competitività di questo vettore energetico.

In conclusione, le opportunità più significative, che possono incrementare nel breve termine la diffusione di idrogeno nel sistema energetico, risiedono nella decarbonizzazione dell’idrogeno per gli usi industriali, sfruttando il fattore di scala di agglomerati industriali che ne fanno già utilizzo. Inoltre, l’iniezione di idrogeno nella rete di gas naturale, entro certi limiti (il valore del 5% in volume è indicato dalla letteratura scientifica come compatibile con l’infrastruttura esistente), può contribuire a consolidare e scalare una filiera industriale senza modifiche importanti sull’infrastruttura e le apparecchiature finali. Probabilmente l’interesse maggiore dell’idrogeno risiede nella sua natura di tecnologia abilitante per l’innovazione del sistema energetico, in termini di connessione di tecnologie, di infrastrutture, mercati e governance.

Nelle agende energetiche delle nazioni, l’idrogeno risulta spesso assente. Investimenti e policy mirati a supporto della filiera idrogeno sono invece necessari per vincere i primi adeguamenti infrastrutturali, e portare quindi alla creazione di una prima capacità operativa importante che lanci il mercato dell’idrogeno decarbonizzato (blue) o rinnovabile (green).