Abbiamo bisogno di idrogeno "blu". E dobbiamo farlo bene.
L'idrogeno è essenziale per decarbonizzare parti fondamentali dell'economia. Mentre l'idrogeno "verde" potrebbe dominare nel lungo termine, l'idrogeno "blu" può ridurre rapidamente le emissioni nel breve termine, se i responsabili politici premiano le prestazioni appropriate.
Il Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico ci ha avvertito - ancora una volta - che dobbiamo ridurre le emissioni di gas a effetto serra (GHG) a zero entro la metà del secolo per evitare gli impatti più dannosi del cambiamento climatico. Ciò significa che una rapida e profonda riduzione delle emissioni è fondamentale sia per l'anidride carbonica che per gli inquinanti climatici a vita più breve, in particolare il metano. Allo stesso tempo, l'Agenzia Internazionale dell'Energia ci dice che le emissioni di CO2 nel 2021 dovrebbero crescere di circa il 5% rispetto ai livelli del 2020 e raggiungere quasi i livelli pre-pandemici entro la fine dell'anno. Il motivo è semplice: la diffusione di fonti energetiche a più alta emissione continua a superare quella di fonti energetiche a più bassa emissione.
Nonostante la crescita delle emissioni, ci sono ancora motivi di ottimismo. I dati dell'Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili indicano che la capacità globale di energia elettrica da fonti rinnovabili è cresciuta di circa il 10% nel 2020 (soprattutto grazie all'energia eolica e solare). Si tratta di un'aggiunta fondamentale alle forniture di elettricità pulita per un mondo in crescita. Ma non sono sufficienti e l'elettricità pulita non è l'unico problema da risolvere. Il consumo di energia e le emissioni continuano a crescere nel trasporto pesante, nel trasporto marittimo internazionale, nella siderurgia e nel riscaldamento dei processi industriali (ad esempio, la produzione di prodotti chimici), dove la sostituzione con energia elettrica pulita può essere particolarmente difficile.
L'idrogeno è una soluzione per decarbonizzare questi settori difficili da elettrificare. L'idrogeno è un potente vettore energetico che non contiene carbonio e quindi non emette CO2 al momento dell'utilizzo. Oggi nel mondo si utilizzano circa 70 milioni di tonnellate di idrogeno all'anno, soprattutto come materia prima nella raffinazione del petrolio e nella produzione di fertilizzanti. Gli analisti stimano che entro la metà del secolo potrebbero essere necessarie tra il mezzo miliardo e il miliardo di tonnellate all'anno (o più) di idrogeno, che in alcuni scenari di decarbonizzazione rappresentano un quarto della domanda finale di energia a livello mondiale. I responsabili politici negli Stati Uniti, in Europa e in Asia hanno iniziato a concentrarsi sulla necessità di garantire la disponibilità di queste forniture di idrogeno per sostenere gli sforzi di decarbonizzazione. Se l'idrogeno prodotto senza significative emissioni di gas serra non è disponibile su larga scala, è improbabile che questi settori si decarbonizzino completamente.
Purtroppo, l'idrogeno disponibile in natura è molto poco. Deve essere prodotto utilizzando altre energie e materiali primari, e questo processo di produzione può comportare significative emissioni di gas serra. L'elettricità può essere utilizzata per scindere l'idrogeno dall'acqua (un processo chiamato elettrolisi), mentre il calore può essere utilizzato per scindere l'idrogeno dagli idrocarburi (un processo chiamato reforming, che si basa anche su una parte di acqua). Sebbene i dettagli tecnici siano complessi e variabili, i percorsi di base sono illustrati di seguito. La stragrande maggioranza dell'idrogeno odierno è prodotta attraverso il processo di reforming (e dalla "gassificazione" dei combustibili solidi, che è chimicamente simile).
Le emissioni di gas serra possono provenire da tutte le fasi indicate, compresa la produzione a monte di gas ed elettricità, il sito stesso di produzione dell'idrogeno e, in alcuni casi, anche l'utilizzo a valle. Naturalmente, tali emissioni dipendono dalla tecnologia e dalle pratiche utilizzate in ciascuna fase. Per il percorso dell'elettrolisi, le emissioni maggiori derivano generalmente dalla generazione di elettricità nelle fasi a monte. Non gestite, queste emissioni possono essere significative. La combustione dei combustibili utilizzati per la generazione di elettricità nella fase a monte di un elettrolizzatore collegato alla rete elettrica del Texas oggi comporterebbe circa 23 chilogrammi di CO2 per ogni chilogrammo di idrogeno prodotto. Per il percorso di reforming, le emissioni maggiori potrebbero provenire dalle fasi a monte (principalmente le emissioni di metano dalla produzione di gas naturale) o dal sito di produzione stesso. Un nuovo sito di reforming emetterebbe circa 9 kg di CO2 per ogni kg di idrogeno prodotto. La riduzione delle emissioni nelle fasi di processo è possibile grazie alla tecnologia (come la cattura del carbonio nei reformer) e alle pratiche operative (come la prevenzione delle perdite nel sistema di produzione del gas naturale e l'acquisto di elettricità a basse emissioni).
L'elettricità rinnovabile combinata con l'elettrolisi può produrre idrogeno con un'impronta di gas serra molto bassa nel ciclo di vita. Le proposte di utilizzare l'elettricità rinnovabile per la produzione di idrogeno sono quindi fondamentali e meritano un significativo sostegno pubblico. Ma è rischioso supporre che l'elettrolisi con elettricità rinnovabile possa fornire tutti i volumi di idrogeno di cui potremmo avere bisogno entro la metà del secolo per la decarbonizzazione. Per soddisfare la domanda dobbiamo sviluppare parallelamente altri percorsi di produzione, compresi quelli basati sul reforming con cattura del carbonio, spesso definiti "blu" quando si parla di produzione di idrogeno. Ecco perché:
- Addizionalità: L'idrogeno "blu" è a basse emissioni di carbonio, ma non si basa sulla preziosa elettricità pulita. Nonostante la rapida crescita della produzione di elettricità da fonti rinnovabili in tutto il mondo, in aggregato non ha ancora tenuto il passo con la produzione di elettricità da combustibili fossili. Anche in alcune regioni in cui la generazione da fonti rinnovabili sta crescendo rapidamente e quella da combustibili fossili si sta riducendo, la rete è ancora relativamente ad alta intensità di carbonio e potrebbero essere necessari decenni prima che sia disponibile una quantità di elettricità rinnovabile sufficiente a sostituire completamente i combustibili fossili. In queste circostanze, l'utilizzo di elettricità rinnovabile per la produzione di idrogeno può ritardare la decarbonizzazione della rete. Questo non è ovviamente vero in modo uniforme. La generazione rinnovabile "in eccesso" o "ridotta" può essere utilizzata per la produzione di idrogeno senza aumentare l'intensità di carbonio della rete e potrebbe addirittura ridurla quando viene immagazzinata per un uso successivo, e le fonti rinnovabili di alto valore situate lontano dai centri di carico elettrico possono essere utilizzate per la produzione e l'esportazione di idrogeno su larga scala senza conseguenze negative sul sistema elettrico. In generale, tuttavia, la produzione di idrogeno con l'elettricità rinnovabile aumenterà la quantità di elettricità rinnovabile che dobbiamo generare e questo aumenta altre sfide di decarbonizzazione. I modelli eseguiti per CATF indicano che per decarbonizzare gli Stati Uniti potrebbe essere necessaria una quantità di energia eolica e solare circa 20 volte superiore a quella attuale per servire i carichi diretti (ad esempio, auto elettriche e riscaldamento domestico) e circa 40 volte superiore se l'elettricità rinnovabile viene utilizzata anche per produrre tutto l'idrogeno richiesto.
- Ritmo di sviluppo: l 'idrogeno "blu" può ridurre la pressione sulle scarse risorse territoriali. Unarecente analisi di The Nature Conservancy suggerisce che l'energia eolica negli Stati Uniti può avere un impatto diretto sul territorio 40 volte superiore, per unità di energia prodotta, rispetto alla produzione convenzionale di gas naturale. Questa misura include sia le turbine eoliche stesse che la distanza tra le turbine. Anche ipotizzando che la cattura del carbonio raddoppi l'impronta della produzione di gas naturale (cosa che appare improbabile), l'energia eolica richiederebbe comunque una superficie 20 volte superiore a quella del gas naturale. E l'utilizzo del terreno è sempre più spesso fonte di ritardi, sforamenti dei costi e vere e proprie moratorie sullo sviluppo delle energie rinnovabili. L'utilizzo della generazione eolica e solare per produrre idrogeno, soprattutto se raddoppia la capacità richiesta, potrebbe aumentare la velocità con cui le comunità si saturano con l'estrazione di energia rinnovabile, minacciando il successo della mitigazione del clima sia nella produzione di elettricità che di combustibili. Le energie rinnovabili avanzate, come la geotermia da rocce calde, potrebbero cambiare la situazione, ma lo sviluppo e la diffusione richiederanno tempo. Producendo energia al di fuori del sistema elettrico, l'idrogeno "blu" potrebbe contribuire a preservare la scarsità di terreno e ad accelerare il passaggio verso un'energia a basse emissioni di carbonio senza ritardi legati al fabbisogno di terreno.
- Costi: Per ora, l'idrogeno "blu" è meno costoso dell'idrogeno "verde". Le stime tradizionali dei costi di produzione dell'idrogeno "blu" nelle regioni con gas naturale a basso costo si aggirano intorno a 1,50 dollari al kg o meno. L'idrogeno "verde" costa oggi più di due volte tanto e per ridurlo occorreranno miglioramenti significativi nell'elettrolisi e un'elettricità a bassissimo costo. Molti analisti prevedono che questi costi bassi possano essere raggiunti, almeno in alcune regioni del mondo, ma potrebbero essere necessari diversi decenni prima che costi così bassi diventino comuni per la produzione di idrogeno "verde". Durante questo periodo, per quanto lungo, l'idrogeno "blu" avrà spesso un costo inferiore a quello "verde" e ci permetterà di estendere il nostro investimento nella decarbonizzazione. In generale, i costi più bassi dell'idrogeno promuoveranno una decarbonizzazione più rapida e profonda, consentendo al contempo di investire ulteriori fondi nelle infrastrutture e in altre esigenze di decarbonizzazione.
Anche se abbiamo bisogno di idrogeno da combustibili fossili con cattura del carbonio, questo non garantisce che sia adeguatamente pulito. Oltre a una cattura del carbonio molto efficace dal reforming, le emissioni di metano a monte devono essere ridotte drasticamente (rispetto al tasso medio di perdite negli Stati Uniti) per rendere questo idrogeno un carburante compatibile con la decarbonizzazione. Le stime dell'impatto sui gas serra dell'idrogeno "blu" coprono un ampio spettro, principalmente guidato da ipotesi sui tassi di perdita di metano nella catena di approvvigionamento del gas naturale a monte e sull'efficienza dei reformer nel processo di produzione (in particolare la parte di cattura del carbonio di tali processi). Sebbene alcune stime recenti di questi impatti siano state piuttosto elevate, un'impronta di gas serra molto più bassa per l'idrogeno "blu" è fattibile. Lo sappiamo perché le misurazioni indicano che alcuni giacimenti di gas negli Stati Uniti hanno tassi di perdita dello 0,3%-0,4%, molto inferiori al tasso di perdita attuale (probabilmente superiore al 2%). E sappiamo che una regolamentazione forte, basata su precedenti statali consolidati, può determinare gran parte delle riduzioni necessarie. Ridurre le emissioni della catena del valore del gas naturale non è solo fattibile, ma anche politicamente popolare.
Per quanto riguarda la cattura del carbonio, oggi è possibile costruire, grazie alla tecnologia commerciale, dei reformer che raggiungono il 90% o più di cattura complessiva del carbonio. Combinati, questi tassi di perdita di metano più bassi e i reformer a più alte prestazioni con alti livelli di cattura del carbonio possono produrre idrogeno che comporta una riduzione di circa l'80% delle emissioni di gas serra rispetto all'uso diretto del gas naturale (ad esempio, nei forni industriali) - e persino emissioni inferiori rispetto ad alcuni idrogeni che potrebbero essere considerati "verdi".
La produzione di idrogeno "blu" con una bassa impronta di gas serra è oggi fattibile, e nel tempo è possibile raggiungere livelli ancora più bassi. Poiché i carburanti a idrogeno sono preziosi proprio per i loro benefici in termini di emissioni di gas serra, i responsabili politici devono vincolare gli incentivi per la produzione di carburanti a idrogeno alle prestazioni in termini di emissioni di gas serra durante il ciclo di vita e l'industria deve adeguarsi. È probabile che sia necessaria una combinazione di norme, regolamenti e meccanismi di mercato che premino la produzione più pulita. Incentivi graduali o a scaglioni, legati ai livelli di emissioni di gas serra nel ciclo di vita, potrebbero servire a questo scopo. Sarà necessario un monitoraggio e una verifica rigorosi delle emissioni associate a tutti i percorsi produttivi. In definitiva, se l'industria dell'idrogeno "blu" vuole svolgere un ruolo significativo nella decarbonizzazione, dovrà costruire e gestire un'infrastruttura in grado di sfruttare appieno il suo potenziale di riduzione delle emissioni.
