Idrogeno: lo stato dell’arte di una rivoluzione energetica

L’idrogeno si sta affermando come protagonista della transizione energetica globale, con l’Italia che gioca un ruolo significativo nello sviluppo di tecnologie innovative. A settembre 2024, il panorama dell’idrogeno ha subito un’accelerazione, con investimenti globali che hanno superato i 570 miliardi di euro secondo gli ultimi dati dell’Hydrogen Council. Questo elemento sta diventando la chiave per decarbonizzare settori considerati difficili da elettrificare direttamente, come l’industria pesante, i trasporti marittimo e aereo.

Nel contesto europeo, l’Italia ha definito una strategia nazionale per l’idrogeno che mira a installare 5 GW di elettrolizzatori entro il 2030, con un investimento complessivo di oltre 10 miliardi di euro tra fondi pubblici e privati. Il PNRR italiano ha allocato 3,2 miliardi specificamente per lo sviluppo della filiera dell’idrogeno, un segnale importante dell’impegno nazionale verso questa tecnologia. Le stime indicano che il settore potrebbe generare fino a 35.000 nuovi posti di lavoro entro il 2030.

Le tecnologie di produzione: dall’idrogeno grigio al verde

Attualmente, la maggior parte dell’idrogeno globale è prodotto tramite processi ad alta intensità di carbonio (idrogeno grigio), principalmente mediante reforming del metano. Questo processo genera circa 9-10 kg di CO₂ per ogni kg di idrogeno prodotto. Ma il vero potenziale dell’idrogeno come vettore energetico pulito si manifesta con l’idrogeno verde, prodotto attraverso elettrolisi dell’acqua, elettrolisi alimentata da fonti rinnovabili. La produzione di idrogeno tramite elettrolisi si distingue in base alla tecnologia utilizzata e alla fonte di energia primaria:

• Elettrolisi alcalina: tecnologia matura, con elettrolizzatori di grandi dimensioni e costi moderati, ma con densità di corrente inferiore rispetto alle alternative più avanzate
• Elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM): elettrolizzatori compatti, elevate densità di corrente e flessibilità operativa, ma costi legati all’uso di materiali preziosi come il platino
• Elettrolisi a ossidi solidi (SOEC): sfrutta temperature elevate (700 – 900°C) per aumentare l’efficienza, con potenziali rese superiori al 90 %, ma richiede materiali resistenti a condizioni estreme e un’integrazione termica complessa
• Foto-elettrolisi e processi termo-chimici solari: in fase di ricerca avanzata, mirano a convertire direttamente radiazione solare in idrogeno attraverso celle foto-catalitiche o cicli termici a specchi parabolici

Il costo dell’idrogeno verde rimane elevato (circa 5-6 €/kg) rispetto a quello grigio (1,5-2 €/kg), sebbene le proiezioni indichino un calo fino a 2-3 €/kg entro il 2030 grazie alle economie di scala e al progresso tecnologico.

Snam ha recentemente ampliato la sua strategia sull’idrogeno con l’acquisizione di partecipazioni in De Nora, azienda specializzata nelle tecnologie di elettrolisi. L’azienda sta attualmente sviluppando uno dei più grandi elettrolizzatori d’Europa presso il suo centro di Modena, con una capacità produttiva di 20 MW.

Una svolta tecnologica significativa è arrivata da Enapter, azienda italo-tedesca che ha sviluppato elettrolizzatori modulari basati sulla tecnologia a membrana a scambio anionico (AEM). Questa tecnologia offre vantaggi in termini di costi e flessibilità rispetto alle tecnologie PEM (Proton Exchange Membrane) e alcaline tradizionali, con un’efficienza che ha raggiunto il 76% secondo i test più recenti.

Anche nel campo della produzione di idrogeno blu (prodotto da combustibili fossili ma con cattura della CO₂), l’Italia mostra progressi interessanti. Eni, attraverso la sua controllata Eniprogetti, sta sviluppando tecnologie proprietarie per la cattura del carbonio, raggiungendo un’efficienza di cattura del 95% negli impianti pilota realizzati a Ravenna.

L’idrogeno nelle auto e nei trasporti pesanti

Nel settore automobilistico, l’idrogeno compete con la mobilità elettrica a batteria, con vantaggi specifici in termini di tempi di rifornimento e autonomia. Toyota Mirai e Hyundai Nexo rimangono i modelli di autovetture più noti, ma il futuro delle auto a idrogeno non appare roseo, visti i continui progressi dei veicoli a batteria.

Il trasporto pesante rappresenta uno dei settori dove l’idrogeno offre i maggiori vantaggi rispetto all’elettrificazione diretta. L’efficienza complessiva della catena dell’idrogeno, dal punto di vista energetico, resta infatti inferiore all’elettrificazione diretta, con perdite che possono raggiungere il 30-40% dell’energia originale.

In Italia, Iveco ha intensificato gli sforzi nello sviluppo di veicoli commerciali a celle a combustibile, presentando il nuovo Iveco S-Way H2, un camion con un’autonomia di 800 km e tempi di rifornimento di circa 15 minuti. Il Gruppo Piaggio ha recentemente avviato una sperimentazione su veicoli commerciali leggeri a idrogeno. Il progetto pilota, avviato a Pontedera, prevede l’utilizzo di celle a combustibile con tecnologia a membrana polimerica (PEM) di nuova generazione, con un’efficienza energetica del 60%.

La diffusione dei veicoli a idrogeno è ancora limitata dalla scarsa infrastruttura di rifornimento. A ottobre 2024, l’Italia conta solamente 7 stazioni di rifornimento operative, concentrate principalmente nel Nord Italia. Tuttavia, il piano di sviluppo sostenuto dal PNRR prevede la realizzazione di almeno 40 stazioni entro il 2026. Snam, in collaborazione con IP (Italiana Petroli), ha annunciato l’implementazione di 26 nuove stazioni lungo i principali corridoi autostradali italiani.

I trasporti marittimi e ferroviari

Il gruppo Grimaldi, specializzato in logistica marittima, sta investendo in tecnologie ibride che integrano batterie e celle a combustibile a idrogeno per i propri traghetti. Fincantieri ha recentemente lanciato il progetto Zeus, una nave di ricerca alimentata a idrogeno che rappresenta un banco di prova per le tecnologie marittime a zero emissioni. La nave utilizza celle a combustibile da 130 kW e serbatoi di idrogeno pressurizzato a 350 bar, con un’autonomia di navigazione di circa 8 ore a velocità di crociera.

Nel settore ferroviario, il Gruppo Ferrovie dello Stato Italiane sta testando locomotive a idrogeno sulla linea Brescia-Edolo in Lombardia. I treni, sviluppati in collaborazione con Alstom, utilizzano celle a combustibile che consentono un’autonomia di circa 600 km con un singolo rifornimento di idrogeno.

L’idrogeno nell’aviazione

L’aviazione rappresenta una delle sfide più complesse per la decarbonizzazione. La società Leonardo ha avviato il progetto H2Elios per lo sviluppo di tecnologie a idrogeno per velivoli regionali. Il progetto, in collaborazione con il Politecnico di Milano, esplora sia l’uso diretto dell’idrogeno nelle celle a combustibile sia in turbine a gas modificate.

Avio Aero, consociata italiana di GE Aerospace, sta lavorando su turbine aeronautiche compatibili con l’idrogeno. I test preliminari hanno dimostrato che le turbine modificate possono funzionare con miscele contenenti fino al 50% di idrogeno, con una riduzione proporzionale delle emissioni di CO₂.

Le sfide tecniche rimangono significative, soprattutto per quanto riguarda lo stoccaggio dell’idrogeno a bordo, che richiede serbatoi criogenici voluminosi. Tuttavia, le recenti innovazioni nei materiali compositi, come quelle sviluppate da Rossetti Marino, azienda ravennate specializzata in soluzioni per l’energia, hanno portato a ridurre il peso dei serbatoi del 30% rispetto alle tecnologie tradizionali.

Le industrie energivore

L’industria pesante, responsabile di circa il 20% delle emissioni globali di CO₂, rappresenta un settore chiave per l’applicazione dell’idrogeno. In Italia, il gruppo Marcegaglia, che si occupa della trasformazione dell’acciaio, ha avviato un programma di conversione dei propri forni di riscaldo per utilizzare miscele di gas naturale e idrogeno, con l’obiettivo di raggiungere un utilizzo del 100% di idrogeno entro il 2035.

Nel settore della chimica, Versalis (gruppo Eni) sta sperimentando l’uso dell’idrogeno verde per la produzione di ammoniaca a basse emissioni presso il suo stabilimento di Ferrara. L’impianto pilota, che utilizza un elettrolizzatore da 1 MW, ha dimostrato una riduzione delle emissioni del 92% rispetto ai processi tradizionali.

L’industria ceramica, fiore all’occhiello del Made in Italy, sta facendo passi significativi verso la decarbonizzazione. Il distretto ceramico di Sassuolo, attraverso il consorzio Iris Ceramica Group, ha inaugurato il primo forno ceramico al mondo alimentato con una miscela di gas naturale e idrogeno al 35%, riducendo le emissioni di CO₂ del 30%.

Stoccaggio e trasporto dell’idrogeno

Lo sviluppo di un’economia dell’idrogeno richiede infrastrutture adeguate per il trasporto e lo stoccaggio. Snam sta realizzando i primi tratti di rete dedicata all’idrogeno in Italia, con l’obiettivo di creare una “Hydrogen Valley” tra Lombardia, Veneto ed Emilia-Romagna. L’azienda ha completato con successo test per il trasporto di miscele di idrogeno fino al 10% nelle proprie infrastrutture esistenti.

Per lo stoccaggio geologico, la società Edison sta studiando la conversione di giacimenti esauriti di gas naturale in Abruzzo per lo stoccaggio di idrogeno, con capacità stimate fino a 500.000 metri cubi.

Una tecnologia innovativa per il trasporto dell’idrogeno viene da SAIPEM, che ha sviluppato un sistema di idrogenodotti sottomarini per collegare le future installazioni di produzione offshore di idrogeno con la terraferma. Il progetto “Blue H2” prevede la realizzazione di un corridoio energetico tra Nord Africa e Italia per l’importazione di idrogeno verde prodotto in aree ad alta insolazione.

Ricerca e sviluppo

Il panorama della ricerca italiana sull’idrogeno è particolarmente vivace. Il Politecnico di Torino ha recentemente brevettato un nuovo catalizzatore a base di nickel per elettrolizzatori, che riduce del 40% l’utilizzo di metalli preziosi mantenendo prestazioni comparabili.

L’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) sta lavorando su materiali innovativi per lo stoccaggio dell’idrogeno. I ricercatori hanno sviluppato materiali nanoporosi capaci di assorbire idrogeno a pressioni più basse rispetto ai serbatoi convenzionali, aumentando la densità energetica volumetrica del 50%.

Il CNR, attraverso il suo Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”, ha conseguito risultati promettenti nello sviluppo di celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) reversibili, che possono funzionare sia come elettrolizzatori sia come celle a combustibile, aumentando la flessibilità dei sistemi energetici.

In sintesi, l’innovazione si concentra su:

• Catalizzatori avanzati: nuove leghe a base di nichel e composti perovskiti per elettrolisi a ossidi solidi, con durabilità superiore a 50 000 h
• Membrane composite: materiali ibridi ceramico-polimerici per aumentare la resistenza chimica nelle fuel cell PEM
• Processi ibridi foto-termici: integrazione tra collettori solari a concentrazione e celle elettrolitiche per sfruttare meglio il calore residuo
• Riciclo della CO₂: co-elettrolisi che trasforma miscele di CO₂ e H₂O in syngas, con impiego di matrici catalitiche innovative studiate dal CNR per produrre carburanti sintetici