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 (vedi nota).

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.

Numerosi studi e pubblicazioni hanno indicato che l'energia del sole e dei suoi derivati (vento, acqua) è di gran lunga sufficiente a soddisfare la domanda energetica mondiale ma la grande variazione di potenza giornaliera e stagionale dell'energia rinnovabile è un'ulteriore complicazione per un'ampia sostituzione dell'energia fossile con l'energia rinnovabile.

Lo stoccaggio di energia giornaliero e stagionale su larga scala è quindi urgentemente necessario per rendere possibile la trasformazione verso una società basata sulle energie rinnovabili.

Tra i vari metodi esistenti è possibile stoccare l’energia mediante la produzione di combustibili chimici come l'idrogeno.

È urgente sviluppare tecnologie di produzione di idrogeno più sostenibili per ridurre l'intensità di carbonio associata, poiché la domanda globale di idrogeno sta aumentando.

Un recente rapporto di Hydrogen Europe ha dettagliato come più di 30 paesi abbiano già iniziato ad attuare le proprie strategie sull'idrogeno, i cui obiettivi principali includono la riduzione delle emissioni, soprattutto in "settori difficili da abbattere" come "industria, mobilità, bilanciamento elettrico e riscaldamento", diversificare l'approvvigionamento energetico, integrare le energie rinnovabili, promuovere la crescita economica e altro ancora.

Tuttavia, nonostante il suo potenziale per essere un "vettore energetico privo di emissioni di carbonio" economico con una serie di applicazioni industriali, il rapporto afferma che attualmente "non esiste alcuna infrastruttura pubblica, nessun mercato pubblico e nessuna regolamentazione del mercato per l'idrogeno". Invece, l'idrogeno viene utilizzato principalmente come "materia prima per produrre prodotti chimici" come ammoniaca e metanolo, o per desolforare il petrolio producendo cherosene, benzina e diesel.

Metodi di produzione dell’idrogeno

L'idrogeno è un vettore energetico privo di carbonio, il che significa che nessuna emissione di CO₂ viene rilasciata nell'atmosfera quando l'idrogeno viene bruciato o convertito.

Tuttavia, proprio come l'elettricità, non significa che la produzione di idrogeno sia priva di emissioni di CO₂ (nel ciclo di vita). L'idrogeno deve essere prodotto da una molecola che contiene idrogeno con una tecnologia di conversione che richiede un dispendio di energia.

L'idrogeno può essere prodotto da combustibili fossili (molecole di idrogeno-carbonio) da risorse di biomassa (molecole di idrogeno-ossigeno-carbonio) o dall'acqua (molecola di idrogeno-ossigeno).

Quando i combustibili fossili o la biomassa sono la fonte di idrogeno, l'energia in ingresso proviene dai combustibili fossili o dalla biomassa. Tuttavia, quando l'acqua viene utilizzata come fonte di idrogeno, l'energia in ingresso potrebbe provenire dall'elettricità (processo di elettrolisi), dal calore (processo di termolisi) o dai fotoni di luce solare (fotolisi o processo fotoelettrochimico).

Alla fine, la fonte di energia insieme al processo di conversione, all'energia in ingresso e ai processi di trattamento dei fumi determinano se si verificheranno o meno emissioni dirette o indirette di CO₂ nell'aria.

Una panoramica delle tecnologie di produzione di idrogeno più rilevanti con il loro attuale livello di maturità, i principali prodotti in uscita e le relative emissioni di CO₂ nell'aria, espresse in un "colore"

(a) a seconda della tecnologia di cattura e dell'energia in ingresso al processo, è possibile catturare e immagazzinare il 50-100% di CO₂. Con l'ATR che utilizza parte dell'H2 prodotto come energia per il calore di processo, è possibile catturare e immagazzinare il 100% delle emissioni di CO₂

(b) le emissioni indirette di CO₂ sono pari a zero se l'elettricità verde o parte dell'idrogeno prodotto viene utilizzata come energia di processo

(c) a seconda della tecnologia CCS, il 50-90% di CO₂ può essere catturato e immagazzinato.

(d) Possibili emissioni di CO₂ negative

(e) Tutte le sfumature dal grigio al verde e al rosa a seconda della fonte per la produzione di energia elettrica. Con elettricità da fonti rinnovabili, H₂ verde, dal nucleare si produce H₂ rosa, entrambe a zero emissioni di CO₂

È opinione comune che l'idrogeno rinnovabile o verde, senza emissioni di CO₂ nell'aria, possa essere prodotto solo mediante elettrolisi dell'acqua utilizzando elettricità. In ogni caso è evidente che utilizzando i rifiuti biogeni si può produrre anche idrogeno rinnovabile o green. Infatti, quando la CO₂ di questi processi viene catturata e utilizzata o immagazzinata, l'idrogeno proveniente dai rifiuti biogeni potrebbe persino avere emissioni di CO₂ negative nell'atmosfera.

Un nuovo sviluppo tecnologico è la cella fotoelettrochimica, per cui la luce solare (fotone) divide direttamente una molecola d'acqua in idrogeno e ossigeno. Molte università in tutto il mondo fanno ricerche per ottimizzare questo processo.

Anche la produzione di idrogeno da combustibili fossili potrebbe avere zero emissioni di CO₂ nell'aria. L'attuale produzione di idrogeno da gas naturale avviene con impianti SMR (Steam Methane Reforming). In futuro verranno installati anche impianti ATR (Auto Thermal Reforming). È relativamente facile catturare dal 50% (SMR) fino al 100% (ATR) del flusso di CO₂ pura dal processo di reforming. Tuttavia, la separazione della CO₂ dagli altri elementi nei fumi è più difficile e di conseguenza più costosa. Pertanto, oggi si crede che sia possibile catturare e immagazzinare solo fino al 90% della CO₂ negli impianti ATR. tuttavia, se parte dell'idrogeno prodotto viene bruciato per produrre il calore di processo, si ha solo vapore come gas di combustione senza CO₂, il che implica che anche fino al 100% della CO₂ totale potrebbe essere catturata e immagazzinata.

Con la pirolisi, il metano (CH₄) viene scisso in idrogeno (H₂) e carbonio solido (C). Questo processo non produce CO₂, dipenderà dall'energia immessa in calore se si verificano o meno emissioni indirette di CO₂. Se si utilizza parte dell'idrogeno e/o dell'elettricità prodotta da risorse rinnovabili o nucleari, la produzione di idrogeno è senza alcuna emissione di CO₂ e con questa tecnologia la cattura e lo stoccaggio di CO₂ non è necessario.

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

I colori dell’idrogeno