Idrogeno? Elettrico? Facciamo un pò di chiarezza

In questo periodo, quando si parla di transizione energetica, ricorrono spesso le tematiche legate all’idrogeno e all’elettrificazione. Cerchiamo di fare un pò di chiarezza su un tema che ci accompagnerà per i prossimi anni. Anche su queste tematiche, spesso meramente tecniche, si innescano le tifoserie, ma in questo caso le cose sono in realtà più complementari che concorrenti.

Rinnovabili (Credit Prosapio Patrick)

Partiamo dal concetto di elettrificazione. L’obiettivo che si stanno ponendo molte comunità è quello di ridurre le emissioni di CO2 e quindi ridurre la combustione da fonti fossili. L’elettrificazione vale per la mobilità, ma in generale in tema energetico. Ovviamente la chiave di tutto passa per la generazione di questa energia in maniera rinnovabile. Elettrificare continuando ad usare le fonti fossili non è la soluzione. 

Ad esempio nella mobilità elettrica su strada si sta facendo molto. Le auto elettriche crescono sempre di più e alcuni paesi europei, come Norvegia e Olanda, metteranno al bando le auto termiche dal 2025. Su quei mercati, fra 4 anni si troveranno solo auto elettriche. La Norvegia, per il quale avevamo fatto alcuni approfondimenti in un articolo, può contare sulla quasi totalità della produzione di energia da fonti rinnovabili e cioè per oltre il 90% da idroelettrico. 

Il processo di elettrolisi (Credit MiniWatt)

Passiamo a parlare ora di idrogeno. Questo elemento è molto abbondante in natura, ma non si trova però puro, ma lo troviamo naturalmente, ad esempio, all’interno dell’acqua dove la nota molecola H2O ce ne da conferma. Per separare l’idrogeno dall’ossigeno è possibile utilizzare processo di elettrolisi. In sintesi, mediante l’utilizzo di energia elettrica, si ottengono idrogeno e ossigeno gassosi. Esistono anche altri metodi.

La produzione di idrogeno necessità dunque di avere energia (possibilmente costante). Spesso sentiamo parlare di “colori” legati all’idrogeno e questo dipende proprio dalla fonti di energia con cui è prodotto. Se il ciclo industriale di produzione si trova in aree dove ci sono impianti di produzione di energia a carbone, si parla di idrogeno nero. Parliamo di idrogeno grigio se l’energia utilizzata deriva da gas naturale e poi verde se viene prodotto completamente da energia alimentata a fonti rinnovabili. Diciamo che oggi, con il mix energetico italiano, potremmo parlare di un idrogeno grigio-verde poiché abbiamo impianti di produzione di energia di gas naturale che di rinnovabili. Esiste poi anche l’idrogeno viola prodotto da energia nucleare e quello blu prodotto da energia alimentata a gas naturale in cui però viene catturata la CO2.

Impianti produzione idrogeno in UK (Credit Consulente Energia)

Il vero protagonista della transizione energetica sarà dunque l’idrogeno verde. Perchè proprio lui? In particolare le energie rinnovabili come il fotovoltaico e l’eolico non sono programmabili (diverso l’idroelettrico dove gli impianti a serbatoio possono accumulare l’acqua). Quindi questi impianti funzionano quando c’è il sole o quando c’è il vento. Può accadere però che quando l’energia c’è in grandi quantità non serva. Dunque può accadere che gli impianti debbano essere sganciati dalla rete perchè l’energia prodotta non viene richiesta dagli utenti.

Quindi quale migliore soluzione per non sprecare energia se non produrre idrogeno e stoccarlo per altri utilizzi? Come sapete l’energia non può essere accumulabile se non con batterie, ma le grandi potenze richiedono batterie enormi non sempre realizzabili. In sostanza la produzione di idrogeno verde si inserisce nello sviluppo delle rinnovabili e nella loro efficienza. Ovviamente, oltre all’idrogeno, come dicevamo possono essere realizzati grandi pacchi batterie per stoccare l’energia in eccesso oppure utilizzare il pompaggio idroelettrico. In quest’ultimo caso quando c’è esubero di energia l’acqua viene ripompata nei serbatoi di monte per essere poi nuovamente utilizzata per produrre energia idroelettrica.

Questo idrogeno (preferibilmente quello verde) può essere utilizzato anch’esso nei sistemi di mobilità (auto, bus, treni, navi) ad esempio mediante le cosiddette celle a combustibile di idrogeno. In estrema sintesi in queste celle di combustibile avviene il processo inverso dell’elettrolisi e viene generata energia elettrica dalla combinazione di idrogeno e ossigeno. Il mezzo sarà dunque dotato di un serbatoio di idrogeno, mentre l’ossigeno è già presente nell’aria. 

Facciamo alcune riflessioni in termini di efficienza energetica di alcuni processi. Una delle tecnologie rinnovabile più efficiente è quella idroelettrica, dove possiamo aspettarci impianti con 80% di efficienza. La cosa equivale in modo semplice a dire che  in questi impianti la “forza” che ha l’acqua (energia potenziale) si trasforma quasi tutta in energia elettrica. Per contro quella meno efficiente è quella fotovoltaica dove l’energia del sole viene convertita per circa solo il 20% in energia elettrica dai pannelli. Per quanto riguarda l’idrogeno il processo di elettrolisi arriva fino a rendimenti dell’80% e a sua volta quell’energia necessaria per il processo chimico avrà una sua efficienza che dipende dalla fonte (termica, fotovoltaica, idroelettrica ecc.)

Schema auto ad idrogeno (Credit Fabio Orecchini)

Passiamo ad alcuni esempi pratici di applicazione su un auto elettrica e a idrogeno. L’auto elettrica ha delle batterie al litio con efficienze oltre il 90% e quindi l’energia immessa verrà quasi tutta restituita dalla batteria. Il motore elettrico di un auto ha un efficienza del 95% (contro il 40% di quello diesel). Dunque ipotizzando l’auto caricata con energia proveniente da energia idroelettrica il rendimento finale sarà pari a 68% (il calcolo rigoroso può avere qualche punto percentuale in meno per via delle perdite sulla rete).

Nel caso di auto ad idrogeno immaginiamo che esso sia prodotto da esubero di energia solare e quindi possa essere considerato idrogeno verde. Dunque abbiamo il 20% del rendimento dell’impianto fotovoltaico, 80% dell’elettrolisi, 60% (nel migliore dei casi) per le celle a combustione di idrogeno e anche qui il motore elettrico (perché le celle a combustibile producono energia elettrica) è pari al 95%. L’intero processo avrà un rendimento del solo 1% e cioè se il valore dell’energia solare è 100 avremo perso quasi tutta l’energia nel processo. Per congruenza con l’esempio precedente se l’idrogeno verde è prodotto da energia idroelettrica raggiungiamo il 36% di efficienza. 

In sintesi è preferibile utilizzare l’energia elettrica in modo diretto senza passare per l’idrogeno che fa perdere efficienza al sistema. Di certo l’idrogeno diventa fondamentale per non sprecare energia rinnovabile e ha il vantaggio di essere facilmente stoccabile e utilizzabile dove l’energia elettrica non può essere prelevata direttamente alla rete elettrica oppure dove le batterie sarebbero troppo grandi o non sufficienti. Ci sono alcuni settori dove l’idrogeno è l’unica soluzione (settori hard to abate). Ad esempio su navi che devono fare grandi tragitti e dove le batterie dovrebbero essere grandi quanto la nave stessa di certo la migliore soluzione è quella dei serbatoi di idrogeno. Un altro settore dove l’idrogeno sarà fondamentale sarà quello per decarbonizzare l’industria pesante.

A voi le riflessioni.