Come si produce l’idrogeno verde? Una guida al futuro dei combustibili puliti

L'idrogeno verde sta rapidamente emergendo come vettore energetico indispensabile nella transizione globale verso un futuro sostenibile. In quanto combustibile pulito e a zero emissioni di carbonio, è la chiave per decarbonizzare i settori più difficili della nostra economia, dall'industria pesante ai trasporti a lungo raggio, fino allo stoccaggio stagionale dell'energia.

Per i proprietari terrieri, gli investitori e i governi, capire come viene prodotto l'idrogeno verde è il primo passo per capitalizzare le immense opportunità che presenta. Per apprezzarne l'importanza, occorre innanzitutto comprendere lo "spettro cromatico dell'idrogeno", una sigla industriale che classifica l'idrogeno in base al modo in cui viene prodotto.

Idrogeno verde: Il gold standard. Viene prodotto attraverso l'elettrolisi dell'acqua alimentata esclusivamente da energia rinnovabile come quella solare ed eolica. Il processo è completamente privo di carbonio.

Idrogeno grigio: L'attuale. È il modo in cui viene prodotto oggi oltre il 95% dell'idrogeno, utilizzando il gas naturale in un processo ad alta intensità di carbonio chiamato Steam Methane Reforming (SMR).

Idrogeno blu: Una fase di transizione. Si tratta di idrogeno grigio, ma con gran parte delle emissioni di carbonio catturate e immagazzinate nel sottosuolo. È una soluzione a "basse emissioni di carbonio", ma non a zero emissioni di carbonio.

Sebbene questi codici colore siano un utile punto di partenza, l'industria si sta muovendo verso una metrica più precisa: l'intensità di carbonio, che misura le emissioni del ciclo di vita della produzione. In questo modo si garantisce che quando si parla di "verde", ci si riferisce a un processo realmente pulito dall'inizio alla fine. Questa guida fornisce una panoramica completa su come viene prodotto il vero idrogeno verde.

La pietra miliare della produzione di idrogeno verde è un processo consolidato noto come elettrolisi dell'acqua. Questa tecnica elettrochimica utilizza l'elettricità per scindere l'acqua (H2O) nei suoi componenti fondamentali: idrogeno (H2) e ossigeno (O2).

L'intera reazione avviene all'interno di un dispositivo chiamato elettrolizzatore. Un modo semplice per pensare a un elettrolizzatore è come a una batteria che funziona al contrario. È costituito da due elettrodi, un anodo positivo e un catodo negativo, separati da un mezzo conduttore chiamato elettrolita.

Il processo si svolge in poche semplici fasi. L'acqua viene introdotta nell'elettrolizzatore e viene applicata una corrente elettrica continua proveniente da una fonte rinnovabile, come un impianto solare o eolico dedicato. L'elettricità fornisce l'energia necessaria per rompere i forti legami chimici delle molecole d'acqua, scindendole in idrogeno e ossigeno.

L'equazione chimica complessiva è semplice ma profonda:

Il risultato è un idrogeno gassoso di elevata purezza. Affinché il carburante sia certificato come "verde", l'elettricità che alimenta l'intero processo deve essere generata al 100% da fonti rinnovabili.

Un fattore critico per la redditività economica è l'efficienza di questo processo. Attualmente l'elettrolisi ha un'efficienza massima dell'80%, il che significa che almeno il 20% dell'energia elettrica immessa viene dispersa sotto forma di calore. La produzione di un chilogrammo di idrogeno richiede circa 50-60 kWh di elettricità, rendendo il consumo energetico il principale costo operativo. Per gli investitori, ciò significa che l'efficienza elettrica di un elettrolizzatore è importante quanto il suo costo di capitale iniziale.

Sebbene il principio dell'elettrolisi sia lo stesso, sono disponibili diversi tipi di tecnologie di elettrolizzazione. La scelta della tecnologia è una decisione strategica che determina i costi, le prestazioni e l'applicazione ideale di un progetto.

L'elettrolisi alcalina è la tecnologia più matura e diffusa. Utilizza una soluzione alcalina liquida come elettrolita e si basa su materiali abbondanti e a basso costo come il nichel.

Vantaggi: Affidabilità comprovata, lunga durata operativa e costi di capitale ridotti.

Svantaggi: Meno efficiente rispetto alle alternative più recenti e con un tempo di risposta più lento, che lo rende meno ideale per l'accoppiamento con la produzione fluttuante di energia solare ed eolica.

Caso d'uso ideale: Impianti di produzione di idrogeno centralizzati su larga scala collegati a una fonte di energia rinnovabile stabile, come una diga idroelettrica.

L'elettrolisi PEM è un approccio più moderno che utilizza una membrana polimerica solida come elettrolita.

Vantaggi: Maggiore efficienza energetica, design compatto e tempi di risposta rapidi. Questa flessibilità rende gli elettrolizzatori PEM perfettamente adatti a gestire la natura intermittente dell'energia eolica e solare, consentendo loro di produrre idrogeno quando l'elettricità è più economica.

Svantaggi: Lo svantaggio principale è un costo di capitale più elevato dovuto alla necessità di catalizzatori di metalli preziosi costosi come il platino e l'iridio.

Caso d'uso ideale: Progetti che accoppiano direttamente la produzione di idrogeno con fonti di energia rinnovabili variabili per sfruttare l'energia a basso costo e fornire preziosi servizi di bilanciamento della rete.

La tecnologia SOEC opera a temperature estremamente elevate (500-1000°C) per scindere il vapore anziché l'acqua liquida.

Vantaggi: La più alta efficienza elettrica di qualsiasi altro elettrolizzatore. Utilizzando il calore come parte dell'energia in entrata, i SOEC possono essere fino al 26% più efficienti di altri tipi, soprattutto se integrati con processi industriali che generano calore di scarto ad alta temperatura.

Svantaggi: Si tratta di una tecnologia nascente con problemi legati al degrado dei materiali e a una durata operativa limitata a causa delle alte temperature.

Caso d'uso ideale: Co-locazione di un impianto di idrogeno con un impianto industriale che produce un flusso costante di calore di scarto, come un'acciaieria o un impianto di ammoniaca.

AEM è la tecnologia più recente, che mira a combinare i migliori attributi di AEL e PEM.

Vantaggi: L'obiettivo è quello di ottenere i bassi costi dei materiali dell'AEL (utilizzando metalli non preziosi) mantenendo la flessibilità operativa e il design compatto della PEM.

Svantaggi: Essendo una tecnologia emergente, i sistemi AEM devono ancora affrontare problemi di durata e prestazioni a lungo termine.

Caso d'uso ideale: in caso di successo, l'AEM potrebbe diventare una tecnologia dirompente ed economicamente vantaggiosa, adatta a un'ampia gamma di applicazioni.

Questa tabella fornisce una panoramica concisa delle caratteristiche principali, presentando informazioni complesse in un formato semplificato. Facilitando il confronto tra le varie opzioni, aiuta gli sviluppatori e gli investitori a valutare le opportunità, i rischi e i benefici potenziali e, infine, a prendere decisioni informate con maggiore sicurezza.

Questo confronto rivela una tensione strategica fondamentale: il compromesso tra il basso costo e la maturità dell'AEL e le alte prestazioni e la flessibilità della PEM. SOEC e AEM rappresentano percorsi distinti per risolvere questo dilemma, con SOEC che si concentra su applicazioni di nicchia ad alta efficienza e AEM che mira a essere una soluzione "migliore dei due mondi", anche se con un rischio tecnologico più elevato.

Sebbene l'elettrolisi sia oggi il metodo dominante, i ricercatori stanno esplorando attivamente le tecnologie di prossima generazione che potrebbero rivoluzionare il settore creando un processo più diretto, in un'unica fase, per passare dalla fonte rinnovabile all'idrogeno. Tra queste vi sono:

Scissione dell'acqua fotoelettrochimica (PEC): Utilizza materiali semiconduttori che assorbono la luce solare e scindono l'acqua direttamente, imitando la fotosintesi.
Scissione termochimica dell'acqua: Utilizza il calore ad alta temperatura dell'energia solare concentrata per attivare reazioni chimiche che liberano idrogeno dall'acqua.

Se commercializzati, questi percorsi potrebbero ridurre drasticamente la complessità e il costo delle infrastrutture per l'idrogeno verde, rendendoli un'area critica per la ricerca e gli investimenti a lungo termine.

La transizione verso un'economia verde globale dell'idrogeno si scontra con diversi ostacoli significativi che richiedono uno sforzo concertato per essere superati.

L'ostacolo principale è il costo. L'idrogeno verde è attualmente più costoso dell'idrogeno grigio, anche se iniziative globali come l'"Hydrogen Shot" del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti mirano a ridurre i costi dell'80% fino a 1 dollaro al chilogrammo entro un decennio. Altre sfide includono la necessità di costruire un'infrastruttura massiccia per lo stoccaggio e il trasporto e l'enorme quantità di nuova energia rinnovabile necessaria per alimentare gli elettrolizzatori.

Ciò crea il classico problema dell'"uovo e la gallina": gli investitori esitano a finanziare la produzione senza la garanzia di un acquirente, mentre le industrie sono riluttanti a convertirsi all'idrogeno finché non sarà disponibile una fornitura affidabile e competitiva dal punto di vista dei costi. È qui che una politica governativa strategica e stabile è essenziale per superare l'impasse e creare un ecosistema vitale in cui gli investimenti privati possano prosperare.

Il viaggio verso un mondo decarbonizzato alimentato da idrogeno verde è una sfida monumentale e un'opportunità senza precedenti. Il percorso da seguire è chiaro: l'elettrolisi alimentata da energia rinnovabile è la tecnologia di base.

Noi di VIRIDI crediamo che il successo richieda collaborazione e integrazione.

Per i proprietari terrieri: Il vostro terreno è la base. Le proprietà con forti risorse solari o eoliche sono i candidati migliori per ospitare i progetti di energia rinnovabile che alimenteranno il nostro futuro, creando flussi di reddito affidabili e a lungo termine.

Per gli investitori: L'idrogeno verde è un mercato fondamentale per la crescita a lungo termine. Le iniziative più promettenti integreranno la migliore generazione rinnovabile con un'efficiente produzione di idrogeno in regioni con un forte sostegno politico.

Per i governi: Politiche chiare e ambiziose sono il catalizzatore. Concentrandosi sullo sviluppo di "hub dell'idrogeno" e sulla creazione della domanda, i governi possono sbloccare il pieno potenziale economico e ambientale dell'idrogeno verde.

Il futuro dell'energia consiste nel costruire sistemi interconnessi. Vi invitiamo a collaborare con noi per costruire un futuro energetico più pulito, resiliente e prospero.