Sulla strada del trasporto stradale a basse emissioni di carbonio

Nel 2022, le_emissioni svizzere di_CO2 derivanti dai trasporti, escluso il trasporto aereo internazionale, sono state pari a 13,6 milioni di tonnellate. Ciò corrispondeva al 41% delle emissioni della Svizzera. La mobilità può diventare più rispettosa del clima solo passando a tecnologie_{a bassa emissione di CO2}. La trazione elettrica, già affermata in questo segmento di veicoli, è adatta alle autovetture. Per i veicoli commerciali pesanti, invece, la trazione a idrogeno è più adatta dal punto di vista tecnico, perché un camion a idrogeno è superiore a un camion a batteria in termini di peso, carico, tempo di ricarica e autonomia. Tuttavia, l'elettricità necessaria per entrambi i tipi di veicoli dovrebbe provenire da fonti rinnovabili. Altrimenti la decarbonizzazione non funzionerà.

Il problema: in inverno, ad esempio, quando l'insolazione è più breve, la quantità di energia solare prodotta è bassa. È possibile fornire elettricità rinnovabile e idrogeno verde sufficienti per il trasporto su strada durante tutto l'anno in modo economicamente competitivo? I ricercatori del PSI Emanuele Moioli, Tilman Schildhauer e Hossein Madi hanno dimostrato in uno studio come ciò sia possibile. Il loro concetto si basa sulla sapiente combinazione di produzione di elettricità e produzione di biogas.

Due fasi di conversione

Il concetto è il seguente: In estate, e talvolta anche in primavera e in autunno, quando l'elettricità rinnovabile è disponibile in quantità maggiore rispetto al fabbisogno, le eccedenze vengono immagazzinate - in modo da poter essere rese disponibili specificamente per la mobilità in inverno, quando l'elettricità rinnovabile scarseggia. A questo scopo sono previsti diversi processi di conversione e riconversione.

L'elettricità in eccesso viene utilizzata per l'elettrolisi dell'acqua, che scinde l'acqua nei suoi componenti idrogeno e ossigeno. L'elettricità in eccesso viene immagazzinata nell'idrogeno in forma convertita. In una fase successiva, questo viene utilizzato per produrre due carburanti sintetici, il metano gassoso (_CH4) e il metanolo liquido (_CH3OH). "Sono le nostre molecole di stoccaggio dell'energia e svolgono un ruolo centrale nel concetto", spiega Emanuele Moioli del Laboratorio per le fonti e i processi energetici sostenibili del Centro PSI per le Scienze dell'Energia e dell'Ambiente.

Il motivo per cui l'idrogeno non viene immagazzinato direttamente è che non può essere liquefatto a temperatura ambiente e ha un grande volume specifico anche quando viene compresso. Questo lo rende difficile da immagazzinare e trasportare. Inoltre, attualmente mancano le infrastrutture necessarie. "È molto meglio convertire ulteriormente l'idrogeno in metano o metanolo, perché la loro densità energetica è molto maggiore di quella dell'idrogeno. In questo modo si riduce notevolmente lo spazio necessario, facilitando lo stoccaggio e il trasporto".

Gli impianti di biogas come terzo settore

Tuttavia, per produrre le molecole di stoccaggio dell'energia è necessario un partner di reazione, l'anidride carbonica. Il concetto di decarbonizzazione prevede che gli impianti di biogas siano una_{fonte di CO2}. La_CO2 viene prodotta come prodotto di scarto della lavorazione del biogas ed è quindi molto economica. Può essere utilizzata direttamente per la produzione di metano e metanolo. Che dovrebbe avvenire anche in loco, secondo Moioli. Oltre ai fermentatori in cui la biomassa viene fermentata in biogas, il progetto prevede serbatoi aggiuntivi in cui l'anidride carbonica catturata e l'idrogeno già prodotto si uniranno per essere convertiti in metano o metanolo. Alla faccia dello stoccaggio.

In caso di carenza di elettricità rinnovabile in inverno, inizia la seconda parte del progetto. I due combustibili sintetici vengono trasportati a una stazione di rifornimento di _{elettricità-H2} situata in posizione centrale. Il metanolo liquido viene trasportato su camion, il metano gassoso idealmente attraverso i gasdotti esistenti. "Questo è possibile in molti casi, poiché gli impianti di biogas producono metano e lo immettono nella rete", spiega Moioli. In alternativa, il metano potrebbe anche essere compresso e trasportato in bombole di gas su rotaia.

Nella stazione di rifornimento di _{elettricità-H2}, l'energia immagazzinata viene riconvertita in una prima fase attraverso il reforming, ossia il recupero dell'idrogeno dal metano. Durante il processo chimico, l'idrogeno viene separato dal metano o dal metanolo ed è immediatamente disponibile per il "rifornimento" dei veicoli _H2. L'ulteriore conversione in elettricità per le auto elettriche avviene allo stesso modo in loco, bruciando il metano in una turbina a gas e il metanolo in una cella a combustibile. Una divisione dei compiti tra le molecole sarebbe ovvia: Il metanolo è più adatto a fornire _H2, poiché il processo di reforming è più efficiente con il metanolo che con il metano. D'altro canto, il metano è più adatto a fornire elettricità grazie alla sua maggiore efficienza durante la combustione.

Il divario dei costi si è ridotto

Ma la decarbonizzazione della mobilità in questo modo è economicamente sostenibile? Per rispondere a questa domanda, gli autori dello studio hanno analizzato i dati pubblicamente disponibili dell'impianto di biogas di Werdhölzli a Zurigo per calcolare le dimensioni necessarie della stazione di sintesi del carburante prevista e i costi di capitale associati alla costruzione di un tale impianto. Moioli riassume il risultato: La fornitura di elettricità e idrogeno da metanolo o metano immagazzinato proposta nello studio è certamente più costosa della benzina odierna. Ma un'attenta combinazione di elettricità, gas e infrastrutture può ridurre i costi della mobilità decarbonizzata a un livello tale che anche "incentivi moderati" come i_{certificati di CO2} sono sufficienti a renderla competitiva con i combustibili fossili. L'evitamento delle emissioni di gas serra non è stato nemmeno incluso nel calcolo dei costi. Moioli sottolinea che la_cattura e lo stoccaggio permanente del biossido di carbonio comportano addirittura_emissioni negative_{di CO2}.

Si tratta quindi di un concetto fattibile. Tuttavia, per decarbonizzare completamente un settore come quello della mobilità, sono necessarie quantità molto elevate di elettricità rinnovabile. Le quantità prodotte oggi sono tutt'altro che sufficienti. Tuttavia, l'espansione incontra degli ostacoli, afferma Moioli: "Lo squilibrio tra domanda e offerta limita l'uso diretto dell'elettricità rinnovabile e dell'idrogeno, soprattutto per la mobilità. Lo vediamo con il fotovoltaico: se vengono installati più impianti fotovoltaici, i nuovi impianti hanno meno clienti. Questo perché in estate, quando l'energia solare è disponibile in grandi quantità, gli impianti esistenti coprono già la domanda". Questo rallenta l'espansione del fotovoltaico ed è per questo che, secondo Moioli, è necessario installare molti più sistemi di accumulo di energia. Un aumento significativo delle capacità di accumulo accelererebbe l'espansione del fotovoltaico, creando così il prerequisito fondamentale per una mobilità rispettosa del clima in futuro.