Dove verrà prodotto l'idrogeno in futuro?

La Svizzera deve diventare climaticamente neutrale entro il 2050. Ciò significa che da quel momento in poi non verranno aggiunti all'atmosfera ulteriori gas a effetto serra per rallentare il cambiamento climatico. L'elettrificazione dei trasporti, dell'industria e delle abitazioni, con il contemporaneo passaggio a fonti rinnovabili di elettricità come l'acqua, il vento e il sole, è un elemento chiave per raggiungere questo obiettivo. Tuttavia, l'elettricità non può essere utilizzata ovunque come fornitore di energia: la sua densità energetica non è sufficiente per alcune applicazioni. Laddove la richiesta è più elevata, l'idrogeno dovrebbe intervenire. L'aviazione, l'agricoltura e l'industria siderurgica sono esempi di applicazioni in cui l'uso dell'idrogeno - che a volte viene utilizzato per la produzione di fertilizzanti o idrocarburi sintetici - può ridurre significativamente l'impatto sul clima.

I ricercatori guidati dal primo autore Tom Terlouw e dal project manager Christian Bauer del Laboratory for Energy System Analyses del PSI hanno raccolto dati e previsioni geografiche ed economiche per descrivere lo sviluppo di un'economia dell'idrogeno in quattro scenari: Secondo questi, la domanda di idrogeno nel 2050 sarà compresa tra 111 e 614 megatonnellate all'anno - a seconda dello scenario: nel primo scenario, il mondo continua come prima e si affida ai combustibili fossili. Nel quarto scenario, il più ottimistico, il mondo si impegna a proteggere il clima e a raggiungere l'obiettivo di 1,5 gradi. Attualmente nel mondo si producono circa 90 megatonnellate di idrogeno all'anno.

Dove c'è spazio sufficiente per l'elettrolisi?

Esistono diversi processi per la produzione di idrogeno. Attualmente domina ancora il metano steam reforming, in cui l'elemento viene estratto sotto pressione e calore dal gas naturale, dal petrolio greggio o dal carbone, cioè dai combustibili fossili. Gli scenari più ottimistici ipotizzano invece un crescente utilizzo di elettrolizzatori PEM, ossia dispositivi che utilizzano l'elettricità e una membrana elettrolitica polimerica per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Se si utilizza solo elettricità verde da fonti rinnovabili, il processo funziona senza combustibili fossili. Il processo produce fino al 90% in meno di gas serra rispetto al reforming a vapore del metano.

La questione centrale, tuttavia, era dove produrre l'idrogeno in questo modo. "Abbiamo applicato soprattutto criteri economici", spiega Tom Terlouw, "in altre parole, dove è più vantaggiosa la produzione?". E due fattori si sono rivelati decisivi: Dove è possibile soddisfare nel modo più efficiente l'enorme domanda di elettricità verde per l'elettrolisi, dato che le fonti energetiche alternative come il vento e il sole sono abbondanti? E dove c'è abbastanza terreno adatto per installare gli impianti necessari alla produzione?

Il Canada è ideale, la Svizzera non tanto

Ampie zone del Canada, ad esempio, si sono rivelate una delle regioni migliori per la futura produzione di idrogeno: "Ci sono molte aree aperte molto ventose e quindi ideali per l'installazione di turbine eoliche", spiega Terlouw. "C'è anche molta acqua e condizioni politiche stabili - due criteri che non abbiamo ancora esaminato in dettaglio in questo studio". Naturalmente, anche la disponibilità di acqua per l'elettrolisi gioca un ruolo importante, così come la possibilità di importare idrogeno in modo affidabile".

A parte questi criteri, anche gli Stati Uniti centrali offrono buone condizioni, così come alcune parti dell'Australia, il Sahara, la Cina settentrionale e l'Europa nord-occidentale. Sia perché lì c'è molto sole per la produzione di energia solare, sia perché c'è molto vento e spazio libero per l'installazione di turbine eoliche - e fabbriche di idrogeno. I Paesi industrializzati dell'Europa centrale, come la Svizzera o la Germania, sono meno adatti alla produzione perché non c'è quasi spazio disponibile per le turbine eoliche e la radiazione solare è relativamente bassa. Anche altre regioni e Paesi densamente popolati, come il Giappone o le grandi aree costiere di Stati Uniti e Cina, potrebbero produrre solo a costi relativamente elevati. "Abbiamo quindi individuato una certa discrepanza tra le regioni con un'elevata domanda di idrogeno e quelle con grandi ed efficienti capacità produttive", riassume Terlouw. Queste ultime dovrebbero gestire un'economia dell'idrogeno attraverso il commercio globale, il che però comporta un ulteriore dispendio di energia e richiede una cooperazione politica. Infine, ma non meno importante, l'impegno richiesto è che l'idrogeno viene solitamente trasportato in forma legata - come ammoniaca o metanolo, ad esempio. Questo perché l'idrogeno occupa troppo volume come gas puro e deve essere raffreddato notevolmente per ottenere la sua forma liquida, molto più compatta.

Gli aspetti ecologici dell'idrogeno verde

Lo studio esamina anche altri effetti collaterali ambientali di una possibile economia dell'idrogeno, spesso ignorati dall'opinione pubblica: "In primo luogo, è importante sottolineare che anche un'economia dell'idrogeno funzionante produrrà comunque emissioni residue di gas serra", afferma Terlouw. Secondo lo studio, queste emissioni residue ammontano a quasi una gigatonnellata_{di CO2 equivalente} all'anno. Attualmente le emissioni totali sono di circa 40 gigatonnellate. "Non sarà possibile ridurre a zero l'impatto sul clima", conferma Christian Bauer.

Ciò è dovuto principalmente al fatto che anche la produzione e la distribuzione dell'idrogeno sono associate alle emissioni. Da un lato, si stima che il 2,5% dell'idrogeno venga rilasciato nell'atmosfera attraverso perdite e fughe, dove l'idrogeno stesso agisce indirettamente come gas serra. Questo perché favorisce la formazione di gas serra effettivi come il metano e l'ozono. D'altra parte, i sistemi di elettrolisi hanno le cosiddette emissioni grigie, che si generano durante la produzione e il trasporto dei materiali necessari, anche se i sistemi finiti sono alla fine alimentati da elettricità verde: "Molti sistemi e macchine utilizzati nell'economia dell'idrogeno sono fabbricati in Paesi la cui produzione sarà ancora in gran parte basata sui combustibili fossili nel prossimo futuro", riferisce Terlouw. "La maggior parte dei moduli solari, ad esempio, proviene attualmente dalla Cina, dove la maggior parte dell'elettricità proviene ancora da centrali elettriche a carbone".

Chiunque voglia seriamente raggiungere la neutralità climatica deve compensare queste emissioni residue filtrando dall'atmosfera quantità corrispondenti di anidride carbonica. Tecnologie come la cattura diretta dell'aria, in cui speciali apparecchiature catturano la_CO2 dall'aria, sono un'opzione. Oppure la riforestazione: gli alberi che crescono legano determinate quantità di carbonio dall'aria.

Materiali critici

Secondo Terlouw e Bauer, occorre considerare anche altri effetti ambientali di un'economia dell'idrogeno oltre al clima: Nelle macchine e nei sistemi vengono utilizzati diversi materiali che sono dannosi per l'ambiente stesso o la cui produzione inquina l'ambiente. Nelle turbine eoliche, ad esempio, si tratta di magneti permanenti basati su terre rare, cioè metalli la cui estrazione in Cina non rispetta gli standard ambientali europei. Nell'elettrolisi PEM, come catalizzatore viene utilizzato il metallo iridio, considerato critico proprio per la sua rarità. Anche le grandi quantità di terra e acqua necessarie per la produzione di idrogeno possono rappresentare un fattore ambientale negativo.

"Infine, ma non meno importante, c'è la grande questione dell'accettazione sociale", sottolinea Tom Terlouw. "La gente accetterà che i paesaggi costieri vengano occupati da grandi impianti di produzione di idrogeno, per esempio?". Nelle aree in cui l'acqua è scarsa, l'acqua di mare dovrebbe essere desalinizzata prima dell'elettrolisi, il che richiede energia e terreni aggiuntivi. "In questo lavoro non abbiamo ancora tenuto conto di questi fattori", ammette Christian Bauer. "Seguiranno ulteriori studi. Vogliamo mostrare i possibili modi per realizzare la transizione energetica. Se e quanto coerentemente perseguirli è in ultima analisi una questione socio-politica".