L’Italia “a colori”, le intenzioni di voto politico “a colori” , l‘idrogeno “a colori” ….
In questa epoca di percezioni che debbono essere molto veloci ma intuitive, basate su visualizzazioni grafico-informative che ti bombardano come un caleidoscopio di informazioni colorate, sempre meno facili da memorizzare, l’approccio cromatico alle news sembra comunque inevitabile.
Oltre alle “regioni a colori” (che variano in funzione dei decreti nazionali anti-covid) e le barrette a colori dei sondaggi sui partiti di Bruno Vespa (e della bella compagnia di anchorman televisivi con i loro continui e spesso “coloriti”, oltre che “colorati”, dibattiti politici), non poteva mancare la classificazione a colori anche per l’idrogeno.
Una tavolozza colorata che, al di là della superficialità comunicativa, in questo specifico caso indica la gamma, non solo cromatica ma ormai reale, dei possibili destini energetici italiani, europei e mondiali nei prossimi anni (e i relativi costi).
Ma di cosa si tratta in concreto ? Cosa c’entrano i colori con l’idrogeno ?
Naturalmente non è il colore del gas: l’idrogeno è completamente incolore.
Si tratta invece della convenzione cromatica, condivisa a livello planetario, che identifica i differenti processi chimici oppure fisici mediante il quale l’idrogeno può essere prodotto, con riferimento alle diverse fonti di energia che vengono impiegate per produrlo.
E’ noto che l’idrogeno non esiste isolato in natura. E’ un elemento chimico fondamentale nell’universo ed è presente ovunque (dal vino alla benzina, dall’acqua al nostro stesso corpo etc. ) con una incidenza percentuale elevata (molto superiore, in ciascun caso, a quella di tutti gli altri elementi che vi sono presenti). Ma, come detto, non si trova mai da solo (come elemento chimico isolato).
In questa fase del progresso umano (ventunesimo secolo), grazie a nuove applicazioni dei principi elettrochimici, è ormai possibile identificare biunivocamente l’idrogeno con l’energia elettrica (una equivalenza diretta), grazie in particolare alle fuel cells
L’idrogeno è da considerare un vettore energetico che, attraverso il suo passaggio nei due elettrodi e nelle membrane di queste speciali pile (le fuel cells, alimentate appunto a idrogeno), si trasforma direttamente in corrente elettrica generando anche calore.
Il processo è elettrochimico (senza attriti meccanici) ed ha rendimento quattro volte più elevato di quello dei nostri motori classici a combustione. Quindi si può proprio affermare “idrogeno=elettricità” (ovviamente qualche piccola dispersione energetica c’è perché nessuna macchina è senza perdite per un principio termodinamico). Ma il vantaggio di questo sistema è che possiamo produrre l’idrogeno in un punto A) ed utilizzarlo in un punto B) quasi senza dispersioni, anche a grande distanza.
Qualcuno sta pensando di produrre l’idrogeno col sole del Sahara e portarlo (via nave “idrogenifera”) in Europa, ma molto più semplicemente posso produrre idrogeno dal fotovoltaico sul tetto per scaldare la casa (meglio un condominio per i costi di impianto)
E per un mondo, come il nostro attuale, che viaggia decisamente verso la mobilità elettrica per ragioni ambientali ormai improrogabili, il trinomio “idrogeno-celle a combustibile-mobilità” diventerà il “must” energetico automotive di questo secolo. Il Presidente dalla Toyota (Mr. Akio Toyota) ha affermato, lo scorso anno, che nel 2060 tutte le auto saranno elettriche: (quelle cittadine “elettriche solo a batterie” mentre quelle da utilizzare per lunghi viaggi saranno “elettriche con pile a idrogeno”).
Ma queste soluzioni energetiche “a idrogeno” stanno ormai estendendosi anche alle abitazioni (vedi in un’altra parte del nostro giornale il filmato della prima “casa a idrogeno” italiana).
Si diceva che l’idrogeno deve essere prodotto (non esiste isolato in natura, ma è sempre legato chimicamente ad altri atomi per formare molecole di ogni tipo). Quindi il fattore critico è: come faccio a produrlo ? E poi: quanto costa ciascun metodo di produzione ? Ecco allora la ragione dei “colori dell’idrogeno”: colori differenti indicano metodi di produzione differenti. La classificazione convenzionale “colorata” dell’idrogeno è ormai condivisa a livello planetario.
Idrogeno “nero”. E’ l’idrogeno ottenuto dalla scomposizione della molecola dell’acqua (H2O) in idrogeno e ossigeno (processo di elettrolisi che si studia alle medie, rendimento di circa il 60%). Quando però la corrente elettrica necessaria a questo processo si ottiene da una centrale elettrica classica (a gasolio o a carbone) l’idrogeno prodotto non è ambientalmente accettabile (nero appunto).
Idrogeno “viola”. Si definisce viola quando viene ricavato dall’acqua con l’elettrolisi descritta sopra, ma la corrente elettrica che si utilizza in questo caso proviene da una centrale nucleare. Le emissioni di CO2 sono bensì nulle, ma occorre considerare le scorie nucleari (che vanno confinate in siti speciali perché rimangono radioattive per oltre 400 anni). In Europa solamente la Francia, ricca di centrali nucleari, produce una certa quantità di idrogeno “viola” mentre Inghilterra e Germania, pur dotate anch’esse di centrali nucleari, preferiscono produrlo dalle energie rinnovabili. Anche perché entrambe hanno avviato un programma di dismissione progressiva delle loro centrali nucleari, per ragioni economiche e di sicurezza.
Idrogeno “grigio”. Viene definito grigio l’idrogeno che si ricava dal metano (molecola CH4) che è molto ricco di idrogeno, e viene separato dal carbonio mediante una reazione chimica (processo di “reforming”) che però produce la famigerata CO2 (anidride carbonica) che non è letale ma incide negativamente nell’effetto serra globale del Pianeta. Oggi oltre il 90% dell’idrogeno prodotto nel mondo è “grigio”
Idrogeno “blu”. Sta diffondendosi da pochissimi anni. Viene definito “blu” l’idrogeno prodotto come sopra (quindi originalmente “grigio”) quando l’anidride carbonica viene eliminata perché nel processo vengono previsti impianti, a valle della reazione chimica, che la “sequestrano” fisicamente. A livello mondiale si sono diffuse recentissime start-up e sono state attivate nuove divisioni di grandi aziende, che si occupano di catturare la CO2. Essa viene immagazzinata definitivamente sotto terra (per esempio all’interno di cavità naturali ovvero in location di pozzi di petrolio dismessi o altrove, per esempio in fondo agli oceani). Quindi l’idrogeno “blu” è amico dell’atmosfera del Pianeta.
Idrogeno “verde”. E arriviamo all’idrogeno “verde” che sarebbe il migliore di tutti. Viene ottenuto sempre con l’elettrolisi dall’acqua, ma nel caso viene utilizzata esclusivamente corrente elettrica prodotta da energie rinnovabili: idroelettrica, solare a concentrazione, solare fotovoltaica, turbine da vapore geotermico hot-dry-rock a 300°, maree, correnti sottomarine e grande eolico.
Questi i colori “base”. Ma attenzione: ci sono anche “tonalità cromatiche intermedie” che vanno aggiunte a questa classificazione. Per esempio, oltre al metano, che è “non rinnovabile” ma fossile, oggi si è molto diffuso il “biometano” che è totalmente rinnovabile. In Italia abbiamo circa 2.500 fattorie che producono biometano dalla fermentazione biologica dei residuati agricoli, dalle deiezioni animali e pure dai rifiuti urbani. Il bio-metano agricolo proviene da cicli “naturali”, quindi, oltre che rinnovabile, è considerato ad impatto ambientale nullo di CO2. Infatti la pianta cresce perché assorbe il carbonio ed il suo successivo degrado fermentativo a “fine vita” avviene a bilancio neutrale di CO2″. Però di fatto le coltivazioni agricole occupano superfici in una vastissima zona, mentre le centrali di bio-metano funzionano mediante scarti che vengono trasportati da ogni dove e concentrati presso le singole centrali a biomassa. Quindi se ricavo l’idrogeno dalla biomassa (che ne contiene circa il 40%) e dal bio- metano col processo di “reforming” in una mini centrale e la CO2 viene emessa proprio lì, posso classificare l’idrogeno prodotto come “verde” oppure, almeno un po’, è da considerare anche “grigio” ?
Analogamente, se l’elettricità impiegata per l’elettrolisi (idrogeno dell’acqua) è prodotta da un sistema energetico che brucia biomasse (quindi con emissione di CO2 pur se a “neutralità climatica”) questa tecnologia (considerata comunque rinnovabile) mi darà un idrogeno “verde” o magari lo devo considerare “grigio-verde”? Infine anche la disputa fra solare, idroelettrico ed eolico può far cambiare la tonalità del verde. E’ infatti più verde l’idrogeno ottenuto dal sole oppure quello ottenuto dal vento o magari invece quello ottenuto da idroelettrico ? Occorre infatti considerare anche le emissioni occorse sia per realizzare l’impianto, che quelle prodotte durante le procedure di manutenzione periodica e infine da come sono stati realizzati i sistemi per l’accumulo di idrogeno sul posto.
I costi di ogni “colore”
Si diceva che i costi di produzione dell’idrogeno dipendono dal processo scelto (quindi dal colore…). Ogni colore dell’idrogeno ha ovviamente i suoi “pro” e i suoi “contro”, ma quali sono i costi dei singoli “colori dell’idrogeno” ?
Idrogeno grigio (ottenuto dal metano mediante reforming). Oltre ai costi di impianto, ormai ammortizzati nei paesi industrializzati, occorre considerare che il prezzo della energia potenziale contenuta del metano è di circa 25 €/1000 kWh (ovvero 0,025 €/kWh). Quindi, considerata la quantità di energia contenuta nel metano necessaria per produrre con il “reforming” 1 kg di idrogeno (circa 50 kWh) e che dopo il processo 1 kg di idrogeno contiene 33 kWh, il calcolo porta ad un costo dell’idrogeno “grigio” di 1,25-1,5 €/kg (0,025 x 50).
Idrogeno blu (grigio + sequestro di CO2), Occorre aggiungere al costo dell’idrogeno “grigio” (vedi sopra), anche quelli per il sequestro della CO2 che fanno aumentare le spese di impianto perchè esso diventa più complesso. L’efficienza del processo si riduce da 75-80% del grigio a circa il 69%. Quindi il costo di produzione dell’idrogeno “blu” diventa un po’ maggiore del grigio: circa 2 €/kg (il costo dell’idrogeno “grigio” maggiorato di 0,5 €/kg)
Idrogeno verde (ottenuto da elettrolisi dell’acqua con elettricità da rinnovabili). Occorre in questo caso considerare la combinazione incrociata di diversi costi: quello degli elettrolizzatori, quello dell’energia elettrica rinnovabile utilizzata e altri ancora fra cui l’ammortamento dell’impianto. Oggi l’efficienza di un impianto di elettrolisi è compresa tra il 56 e il 60%. Per produrre 1 kg di idrogeno (che contiene 33 kWh di energia elettrica potenziale) servono tra 60 e 55 kWh di energia elettrica. In questa ipotesi, l’idrogeno verde costerebbe oggi da 7 a 8 €/kg (ogni KWh costa 0,12 €, quindi 0,12 x 60 = 7,2) a seconda della taglia dell’elettrolizzatore. Nel lungo periodo, il rendimento dovrebbe migliorare ancora sino al 67-75% (quindi da 49 a 45 kWh necessari per produrre un kg di idrogeno). Al 2030 l’idrogeno potrebbe pertanto costare da 3,7 a 5,9 €/kg. Infine, in prospettiva di più lungo periodo, se il costo dell’elettricità fotovoltaica scendesse a 35 €/1000 KWh, l’idrogeno potrebbe costare da 2,1 a 4,4 €/kg. Se poi l’elettrolizzatore fosse alimentato, anzichè dal sole, da un parco eolico off-shore (sul mare al largo) come accade oggi nel Mar del Nord, l’idrogeno al 2030 costerebbe da 3 a 3,9 €/kg e nel lungo periodo potrebbe essere compreso tra 2 e 2,8 €/kg. L’idrogeno “verde” (quello ottenuto dall’acqua e dalle rinnovabili) costerebbe comunque sempre di più di quello “blu” (ottenuto dal metano) o di quello verde-blu (ottenuto dal biometano).
Conclusioni e prospettive per il settore automotive.
Considerati i vari processi per produrre l’idrogeno (vedi i diversi colori), i costi al Kg di idrogeno per ciascun processo e le previsioni europee, ipotizziamo un costo medio di 3 €/ Kg (idrogeno verde da solare al 2030 – vedi tabella sopra). Oggi una Toyota Mirai (oppure una Hyundai Nexo) a idrogeno fuel cells di ultimissima generazione percorre 120 km con un kg di idrogeno (costo 3 €/kg). Un’auto media a benzina percorre circa 18 km con un litro di benzina (costo medio 1,5 €/litro). Allora una semplice comparazione aritmetica ci fornisce un risultato a netto favore dell’idrogeno. Infatti spendendo 3 € in idrogeno percorro 120 Km mentre spendendo 1,5 € per un litro di benzina percorro 15 Km, Allora con 1,5 € (però spesi in idrogeno) un’auto a fuel cells (come per esempio la Toyota Mirai H2) percorrerà circa 60 km (conemissioni nulle). Un risultato irraggiungibile dalle nostre attuali auto a combustione interna.
Il vantaggio delle auto a idrogeno risiede nella elevatissima efficienza “vehicle” perchè la loro powertrain (sistema di trazione a fuel cells) è elettrica, con elevatissimi rendimenti dei vari componeni, ricarica dell’idrogeno (rifornimento) istantanea ed una autonomia quasi tripla rispetto alle migliori auto elettriche con le sole batterie.
Mondo idrogeno 
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