L'idrogeno pulito a 1,50 dollari/kg potrebbe promuovere una significativa decarbonizzazione. Cosa serve per arrivare a questo punto con l'elettricità rinnovabile?
L'idrogeno prodotto a 1,50 dollari/kg potrebbe essere l'opzione di decarbonizzazione più competitiva per una frazione significativa della domanda energetica globale. Cosa ci vorrà per arrivare a quel punto di costo per l'idrogeno pulito prodotto da elettricità rinnovabile? Probabilmente saranno necessari miglioramenti monumentali nella tecnologia se utilizziamo solo l'elettricità rinnovabile in eccesso che altrimenti verrebbe ridotta. E se vogliamo avere grandi quantità di idrogeno rinnovabile disponibile a quel costo, avremo bisogno di una produzione di elettricità rinnovabile dedicata a prezzi molto bassi, non solo di energia "in eccesso". Ecco perché: fondamentalmente, l'idrogeno rinnovabile è un'estensione dell'elettricità rinnovabile, come l'energia solare ed eolica, e finché queste non saranno entrambe molto economiche e abbondanti, nemmeno l'idrogeno rinnovabile sarà economico e abbondante.
Il motivo è da ricercare nel modo in cui viene prodotto l'idrogeno rinnovabile. Un dispositivo chiamato elettrolizzatore utilizza l'elettricità per scindere le molecole d'acqua in molecole di idrogeno e ossigeno. Per produrre un chilogrammo di idrogeno in questo modo sono necessari circa 52 chilowattora di elettricità, più o meno. (Le stime effettive dell'efficienza variano e dipendono da ciò che è incluso nella definizione del sistema, tra le altre cose).
Partendo da questa efficienza di base, possiamo fare alcuni calcoli fondamentali. Se possedete un elettrolizzatore e volete produrre idrogeno rinnovabile, se l'elettricità rinnovabile vi costa cinque centesimi di dollaro USA per chilowattora (5 centesimi/kWh), il solo costo dell'acquisto dell'elettricità si tradurrà in un costo di produzione dell'idrogeno di 2,60 dollari/kg. Il costo medio stimato dell'elettricità livellato (LCOE) per i nuovi parchi eolici negli Stati Uniti nel 2019 è stato di 3,5 centesimi di dollaro/kWh. Se si pagasse questo prezzo per l'elettricità, l'idrogeno costerebbe 1,82 dollari/kg, prima di considerare altri costi di produzione come l'acquisto e il funzionamento di un elettrolizzatore.
Quanto contribuisce l'elettrolizzatore stesso al costo dell'idrogeno rinnovabile? Le opinioni in merito sono molto discordanti. Secondo un recente studio condotto nei Paesi Bassi, il costo di un progetto di grandi dimensioni è di 1400 euro per kilowatt (circa 1.700 dollari/kW). Gli analisti di Bloomberg New Energy Finance ritengono che il costo potrebbe scendere a 115 dollari/kW entro il 2030. Si tratta, come è ovvio, di una forbice enorme, oggetto di notevoli speculazioni nei circoli politici. Come comodo punto di riferimento, l'Agenzia Internazionale dell'Energia indica che gli elettrolizzatori costano oggi 900 dollari/kW e che il costo potrebbe scendere a 700 dollari/kW entro il 2030.
Vediamo cosa significano questi numeri per il costo dell'idrogeno rinnovabile. Se acquistate un elettrolizzatore al prezzo di 900 dollari/kW indicato oggi dall'AIE e lo finanziate per diversi decenni a un tasso di rendimento del debito e del capitale tipico del commercio, potrebbe costarvi 85 dollari all'anno di recupero del capitale per ogni kW di capacità acquistata. (Si tratta di un fattore di recupero del capitale di poco superiore al 9%, che è vicino a quello ipotizzato dall'AIE nelle sue analisi). Se l'elettrolizzatore funzionasse solo un giorno all'anno, il costo del pagamento dell'elettrolizzatore ammonterebbe a circa 200 dollari per ogni chilogrammo di idrogeno prodotto. Chiaramente, nessuno lo farebbe!
L'impatto della frequenza con cui un investimento di capitale come un elettrolizzatore funziona effettivamente è catturato dal fattore di capacità, solitamente espresso come percentuale di funzionamento 24/7/365. I recenti progetti di energia eolica di grandi dimensioni negli Stati Uniti hanno un fattore di capacità annuale di circa il 40%. Le centrali nucleari hanno spesso un fattore di capacità annuale superiore al 90%. I progetti di energia solare fotovoltaica in California sono più vicini al 25%.
È molto meglio di un giorno all'anno e se si acquista elettricità rinnovabile da una di queste fonti si produce molto più di un giorno di idrogeno rinnovabile. Con un fattore di capacità annuale del 40% per l'energia eolica, la spesa di capitale per l'elettrolizzatore da 900 dollari/kW si aggira intorno a 1,25 dollari/kg di idrogeno, o 1,45 dollari/kg se si includono i costi di gestione e manutenzione.
Il costo totale per produrre idrogeno è costituito dal costo annuale di finanziamento e manutenzione dell'elettrolizzatore, oltre all'acquisto dell'elettricità rinnovabile per farlo funzionare. Se si acquistasse un elettrolizzatore al prezzo odierno di 900 dollari/kW indicato dall'AIE, si pagasse poco più del 9% all'anno di recupero del capitale più un po' di O&M, e lo si alimentasse da un tipico parco eolico statunitense che produce elettricità con un fattore di capacità del 40% e pagasse in media 3,5 centesimi di dollaro/kWh per quell'elettricità, l'idrogeno costerebbe 3,27 dollari/kg (1,82 dollari/kg + 1,45 dollari/kg). La politica incentrata sul clima deve sostenere la produzione a questo livello di costi nel breve termine, ma è necessario ridurre i costi.
Nella figura seguente, l'impatto dei potenziali miglioramenti dell'elettrolizzatore sul costo di produzione dell'idrogeno è rappresentato in funzione del prezzo dell'elettricità pulita e del fattore di capacità. La linea continua si riferisce all'attuale elettrolizzatore dell'AIE e alla combinazione di prezzo dell'elettricità rinnovabile e fattore di capacità dell'elettricità rinnovabile che produce idrogeno a 1,50 dollari/kg. Sopra e a sinistra della linea continua, l'idrogeno prodotto dall'elettrolizzatore IEA di oggi costa più di 1,50 dollari/kg. Sotto e a destra della linea, l'idrogeno prodotto da quell'elettrolizzatore costa meno di 1,50 dollari/kg.
Purtroppo, per produrre idrogeno rinnovabile a 1,50 dollari/kg, è necessario disporre di elettricità rinnovabile gratuita per far funzionare l'elettrolizzatore a un fattore di capacità di quasi il 40%, oppure, se si deve pagare l'elettricità, questa non deve essere superiore a 1,8 centesimi di dollaro/kWh se è disponibile a un fattore di capacità del 100% e a un costo ancora più basso se è disponibile a un fattore di capacità inferiore al 100%. Questa combinazione di fattore di capacità elevato e di elettricità rinnovabile gratuita o a costo molto basso non è disponibile.
Fortunatamente, questa non è la fine della storia. La linea tratteggiata nella figura indica cosa accadrebbe se il costo dell'elettrolizzatore scendesse ai 700 dollari/kW indicati dall'AIE per il 2030. (La linea riflette anche un modesto miglioramento dell'efficienza degli elettrolizzatori per quella data). Con questo cambiamento, ci si può permettere di pagare poco più di 2,2 centesimi/kWh per l'elettricità rinnovabile, se la si acquista a quel prezzo 24/7/365. Al contrario, è sufficiente che l'elettricità rinnovabile sia disponibile con un fattore di capacità leggermente inferiore al 30% se è gratuita.
Non si tratta ancora di una combinazione di fattore di capacità e prezzo generalmente disponibile per l'elettricità rinnovabile. Ma la direzione di ciò che è possibile ottenere con elettrolizzatori migliori è chiara. E sebbene non sia rappresentato nella figura, possiamo calcolare cosa accadrebbe se un elettrolizzatore fosse disponibile al costo molto basso di 115 dollari/kW. A questo prezzo, l'elettricità rinnovabile gratuita dovrebbe essere disponibile solo con un fattore di capacità annuale del 5% circa per ottenere 1,50 dollari/kg di idrogeno. L'elettricità rinnovabile gratuita con un fattore di capacità del 5% è simile alle condizioni di riduzione o "surplus" di generazione di energia rinnovabile che si verificano in alcune aree con livelli di elettricità rinnovabile molto elevati. Ciò suggerisce che se i costi dell'elettrolizzatore possono essere ridotti drasticamente, in combinazione con un surplus di elettricità a costo estremamente basso, potrebbe essere possibile ottenere idrogeno rinnovabile a 1,50 dollari/kg.
Il problema di affidarsi a un surplus di elettricità rinnovabile quasi gratuito per la produzione di idrogeno su larga scala (oltre alla necessità di un elettrolizzatore a basso costo) è che i volumi di idrogeno che possiamo produrre da queste eccedenze sono probabilmente molto limitati. Fondamentalmente, la decurtazione non è una fonte scalabile di energia a basso costo. La generazione rinnovabile in eccesso rappresenta un costo per il resto del sistema elettrico oppure si sviluppano mercati per l'utilizzo della generazione in eccesso, con la concorrenza per tale risorsa che ne aumenta il prezzo. In ogni caso, a meno di un'eccessiva e costosa costruzione di impianti rinnovabili, i volumi di idrogeno che possiamo produrre dalla generazione rinnovabile in eccesso sembrano essere modesti.
All'estremo ottimista dello spettro dei costi degli elettrolizzatori, tuttavia, l'elettricità rinnovabile dedicata con prezzi fino a 2,4 centesimi di dollaro/kWh potrebbe portare a 1,50 dollari/kg di idrogeno, se l'elettricità è disponibile con un fattore di capacità annuale del 30% circa. Alcuni progetti fotovoltaici su scala pubblica nel sud-ovest degli Stati Uniti sembrano avvicinarsi a questo LCOE e a questo fattore di capacità. Anche l'energia eolica ha registrato notevoli miglioramenti, anche se forse si sta stabilizzando. Nei 5 anni successivi al 2009 il LCOE dell'eolico statunitense è sceso del 47%. Nei successivi 5 anni fino al 2019 il LCOE è sceso di un altro 27%.
Per raggiungere questi costi estremamente bassi degli elettrolizzatori saranno probabilmente necessari sviluppi e sviluppi monumentali. Il costo di 115 dollari/kW ipotizzato da alcuni analisti si basa su estrapolazioni della curva di apprendimento da una base già bassa che non riflette le installazioni statunitensi e non include i costi di apparecchiature come l'elettronica di potenza che da soli possono essere significativi per progetti simili. Dovremmo prepararci a pagare 250 dollari/kW o 500 dollari/kW o più per distribuire ampiamente gli elettrolizzatori nei prossimi due decenni. Questo può essere l'argomento di un altro post. Ma se riusciamo ad avvicinarci in modo sostanziale a questi elettrolizzatori a basso costo, possiamo iniziare a produrre idrogeno rinnovabile a prezzi accessibili utilizzando elettricità rinnovabile a prezzi realistici su larga scala, e questo sarà molto positivo per la protezione del clima.
