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camion a idrogeno

Cosa dice l'ultimo rapporto IPCC sui combustibili a zero emissioni di carbonio 

11 novembre 2022 Area di lavoro: Carburanti a zero emissioni di carbonio

Oggi è la "Giornata della decarbonizzazione" alla COP27, ed è la prima volta che la conferenza dedica un'intera giornata alla discussione del complesso portafoglio di strategie e tecnologie necessarie per decarbonizzare i settori difficili da abbattere. CATF si aspetta che l'idrogeno, in particolare quello prodotto con percorsi a basse emissioni, svolga un ruolo significativo nelle discussioni odierne, dato che molti Paesi e blocchi regionali lo stanno adottando nella loro strategia di decarbonizzazione. Ad esempio: 

  • Gli Stati Uniti hanno approvato una legislazione con disposizioni sull'idrogeno che prevedono 8 miliardi di dollari per la creazione di hub regionali per l'idrogeno pulito (legge bipartisan sulle infrastrutture) e fino a 3 dollari per chilogrammo (kg) di idrogeno prodotto, a seconda dell'intensità di carbonio dell'idrogeno (Inflation Reduction Act).  
  • La Commissione europea, che prevede di produrre e importare 10 milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile nell'Unione europea entro il 2030, ha recentemente approvato un finanziamento fino a 5,2 miliardi di euro per la ricerca, lo sviluppo e la diffusione di infrastrutture e tecnologie a idrogeno. La Commissione europea ha inoltre annunciato la creazione di una nuova Banca europea dell'idrogeno che investirà 3 miliardi di euro per contribuire alla costruzione del futuro mercato dell'idrogeno.  
  • Anche l'Egitto, paese ospitante della COP di quest'anno, sta invitando a investire nell'idrogeno costruendo un impianto di produzione di idrogeno verde da 8 miliardi di dollari nella zona economica del Canale di Suez. 

Secondo Emily Kent, direttrice del sito Clean Air Task Forceper i carburantia zero emissionidi carbonio, proposte di legge e impegni come questi rappresentano "un importante passo avanti per i carburanti a zero emissioni di carbonio". I carburanti a zero emissioni di carbonio, come l'idrogeno e l'ammoniaca, non contengono carbonio - come suggerisce il nome - e non produconoCO2 quando vengono bruciati. Mentre l'elettrificazione e la diffusione dell'elettricità a zero emissioni realizzeranno gran parte del lavoro di decarbonizzazione, i carburanti a zero emissioni come "l'idrogeno a basse emissioni [hanno] un potenziale significativo come strumento critico per il clima per affrontare settori economici difficili da decarbonizzare come i trasporti pesanti e l'industria pesante". Questi settori sono attualmente serviti da carburanti ad alte emissioni e potrebbero essere proibitivamente costosi o commercialmente impossibili da elettrificare.  

Per un'ulteriore prospettiva e una sintesi dell'attuale consenso scientifico, questo blog fa un'immersione profonda nel recente rapporto del Gruppo di lavoro III (WGIII ) della Sesta valutazione (AR6) del Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico (IPCC) per esplorare il punto di vista dell'IPCC sul ruolo dei combustibili a zero emissioni di carbonio come soluzione climatica. 

L'idrogeno può contribuire al bilanciamento del carico a breve e lungo termine di una rete elettrica al 100% priva di carbonio  

Il settore elettrico è la maggiore fonte di emissioni antropogeniche di gas serra (GHG). Nel 2019 è stato responsabile di circa due terzi delle emissioni globali (AR6 WGIII Report 6.3). Il raggiungimento di una rete elettrica al 100% neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio richiederà il rapido dispiegamento di una serie di risorse energetiche stabili, come l'energia nucleare, la geotermia da roccia super-calda e il gas naturale con cattura e stoccaggio del carbonio. Anche le risorse variabili, come l'energia solare ed eolica, avranno un ruolo importante da svolgere. 

Il WGIII dell'IPCC conclude che la diffusione di una produzione più variabile richiederà una maggiore flessibilità della rete da una "varietà di soluzioni sistemiche", tra cui "l'idrogeno elettrolitico e i suoi derivati" (SPM C.4.3). Per il bilanciamento a breve termine, l'idrogeno può essere utilizzato come combustibile per le celle a combustibile o bruciato nelle turbine a gas per creare energia dispacciabile, fornendo così una capacità di generazione di elettricità "pulita e stabile" per bilanciare una rete con importanti fonti energetiche intermittenti a zero emissioni di carbonio. Una potenziale sfida tecnica consiste nell'adattare le turbine al funzionamento con idrogeno puro e nel gestire le relative emissioni di ossidi di azoto (NOX) che si formano a causa delle temperature di fiamma più elevate. Esistono già turbine commerciali in grado di funzionare con un rapporto di idrogeno nel gas naturale fino al 20-50% e molte aziende si sono già impegnate a realizzarne di capaci al 100% entro il 2030.  

Per il bilanciamento a lungo termine, l'idrogeno può fornire "l'immagazzinamento dell'elettricità per supportare un'alta penetrazione di fonti rinnovabili intermittenti" e "consentire lo scambio e l'immagazzinamento tra regioni diverse" (AR6 WGIII Report 6.6.2.4). In questo contesto, l'ammoniaca può essere un "vettore di idrogeno efficace dal punto di vista dei costi" per l'utilizzo dell'idrogeno su scala di rete, data la sua maggiore densità energetica e la relativa facilità di liquefazione a temperature inferiori a -33°C a pressione ambiente (AR6 WGIII Report 6.4.5.1). Se necessario, l'ammoniaca può essere nuovamente "crackata" in idrogeno. L'ammoniaca non crackata, come l'idrogeno, può essere utilizzata nelle celle a combustibile o bruciata nelle turbine a gas per generare energia. Sebbene entrambe siano tecnologie nascenti, il loro potenziale significa che l'ammoniaca "potrebbe svolgere un ruolo importante nella formazione di [un'economia interconnessa] dell'idrogeno e/o dell'ammoniaca per sostenere la decarbonizzazione" (Rapporto AR6 WGIII 6.4.5.1). 

La decarbonizzazione del settore industriale richiede idrogeno a basse emissioni come materia prima e combustibile 

Il settore industriale è il secondo settore per emissioni e rappresenta il 24% delle emissioni globali nel 2019. Se si includono le emissioni indirette derivanti dalla generazione di elettricità e calore, il settore industriale supera quello energetico come il più grande settore emittente, con il 34% delle emissioni globali nel 2019 (Rapporto AR6 WGIII 11.2.2). Il WGIII ha fornito due ampie categorie di modalità con cui l'idrogeno a basse emissioni può decarbonizzare il settore industriale: il cambio di materia prima e il cambio di combustibile. Per quanto riguarda il cambio di materia prima, i processi chimici esistenti che utilizzano l'idrogeno, come la produzione di ammoniaca, possono utilizzare una versione a basse emissioni prodotta attraverso l'elettrolisi con elettricità pulita o il reforming del gas abbinato alla cattura del carbonio e ad altre misure di riduzione delle emissioni. Anche i processi DRI (Direct Reduction Iron) a base di gas per la produzione di acciaio utilizzano già l'idrogeno, ma questa volta in una miscela con monossido di carbonio nota come syngas. Il syngas viene utilizzato in questi processi per ridurre i minerali di ferro, rimuovendo così l'ossigeno dall'ossido di ferro. Il ferro spugnoso che ne deriva può poi essere alimentato nei forni elettrici ad arco per la produzione di acciaio. In questo caso, l'idrogeno a basse emissioni può sostituire fino al 30% del metano utilizzato per produrre il syngas senza dover modificare il processo. L'obiettivo finale, che richiede modifiche al processo, sarebbe quello di sostituire interamente il syngas con il solo idrogeno, un'impresa già dimostrata commercialmente a Trinidad.  

Come combustibile, l'idrogeno può essere utilizzato come sostituto completo o parziale dei combustibili contenenti carbonio nel riscaldamento di processo. Il riscaldamento di processo ad alta temperatura negli altiforni e nella produzione di prodotti chimici primari sono entrambi esempi in cui la co-combustione con idrogeno può contribuire a ridurre le emissioni. A questo proposito, il WGIII ha citato i lavori sperimentali dei progetti Course50 e Thyssenkrupp che hanno dimostrato il potenziale di riduzione delle emissioni dal 30 al 40% attraverso la co-combustione dell'idrogeno negli altiforni e nei forni a ossigeno (Rapporto AR6 WGIII 11.4.1). Questo metodo di decarbonizzazione viene già adottato in regioni come il porto di Rotterdam, dove l'idrogeno verrà utilizzato come combustibile per abbattere 2,7 Mt di emissioni diCO2 nell'ambito del progetto H-vision.  

Poiché i Paesi cercano di adottare politiche che promuovano l'uso di versioni a basse emissioni di carbonio dei materiali di base commerciati a livello internazionale, il WGIII prevede che "le regioni con abbondanza di energia e materie prime a basse emissioni di gas serra hanno il potenziale per diventare esportatori di prodotti chimici e materiali a base di idrogeno lavorati utilizzando elettricità e idrogeno a basse emissioni di carbonio" (SPM C.5.3). 

L'idrogeno può contribuire a decarbonizzare il trasporto terrestre pesante, ma ha bisogno di celle a combustibile più mature 

Il settore dei trasporti è la quarta fonte di emissioni di gas serra e rappresenta circa il 15% delle emissioni totali di gas serra nel 2019 (AR6 WGIII Report 10.1.2). Il WGIII ritiene che l'idrogeno "prometta significativamente di ridurre le emissioni se prodotto utilizzando fonti energetiche a basse emissioni di carbonio" per "i segmenti di trasporto più difficili da elettrificare, come i veicoli pesanti" (AR6 WGIII Report 10.3.3). Ciò è in linea con il punto di vista diCATF sull'uso dell'idrogeno per il trasporto terrestre: gli elevati requisiti energetici del trasporto terrestre pesante pongono problemi ai sistemi a batteria e significano che i veicoli a celle a combustibile a idrogeno potrebbero essere la chiave per la completa decarbonizzazione del settore. È più probabile che l'idrogeno svolga un ruolo supplementare nei mercati del trasporto leggero.  

Affinché l'idrogeno possa svolgere un ruolo maggiore nella decarbonizzazione dei veicoli pesanti, il WGIII chiede ulteriori progressi nella tecnologia delle celle a combustibile, che "non è ancora matura per molte applicazioni commerciali" (AR6 WGIII Report 10.3.3). Un esempio citato nel rapporto è il miglioramento della durata delle celle a combustibile, che deve avvicinarsi alle 30.000 ore per essere competitiva con i veicoli diesel. Le celle a combustibile utilizzate negli autobus hanno dimostrato una durata vicina a tale intervallo, mentre i veicoli leggeri a celle a combustibile si avvicinano alle 4.000 ore (Kurtz et al. 2019). CATF incoraggia il settore pubblico e privato a perseguire la ricerca e lo sviluppo (R&S) per migliorare le prestazioni delle celle a combustibile per consentire all'idrogeno di essere una soluzione climatica per il settore dei trasporti. 

L'idrogeno a basse emissioni sarà fondamentale come combustibile o materia prima per la decarbonizzazione dei carburanti nei settori del trasporto marittimo e dell'aviazione. 

A differenza del trasporto terrestre, il WGIII prevede che "le tecnologie ICE [motore a combustione interna] rimarranno probabilmente le opzioni prevalenti per la navigazione e l'aviazione. Pertanto, la riduzione delle emissioni diCO2 e di altre emissioni dei motori a combustione interna attraverso l'uso di combustibili a basso o nullo contenuto di carbonio è essenziale per una strategia equilibrata di limitazione dei livelli di inquinanti atmosferici". (Rapporto AR6 WGIII 10.3.1).  

Per quanto riguarda l'aviazione, il WGIII chiarisce che "la letteratura non supporta l'idea che ci siano grandi miglioramenti da apportare all'efficienza energetica dell'aviazione" - come i progressi del sistema di propulsione o l'ottimizzazione del design dell'aereo - "che tengano il passo con la crescita prevista del trasporto aereo" (Rapporto completo 10.5.3). Mentre gli aerei più piccoli e corti (cioè con meno di 50 passeggeri) potrebbero essere elettrificati, quelli più lunghi e più grandi richiederanno probabilmente idrogeno liquido, biocarburanti prodotti in modo sostenibile e/o carburante sintetico per jet. L'idrogeno è fondamentale per i processi di produzione degli ultimi due; i carburanti sintetici utilizzano l'idrogeno come materia prima e i biocarburanti richiedono l'idrogeno per la desolforazione. Finora l'industria si è rivolta in gran parte ai biocarburanti, ma la recente analisi di CATFmostra che probabilmente tutte queste opzioni sono necessarie per decarbonizzare completamente l'industria.   

Per quanto riguarda il trasporto marittimo, il WGIII ritiene che "l'idrogeno e l'ammoniaca, se prodotti da fonti rinnovabili o accoppiati alla CCS, anziché principalmente da combustibili fossili [non controllati] con elevate emissioni durante il ciclo di vita (Bhandari et al 2014), possono contribuire a significative riduzionidi CO2 equivalente fino al 70-80% rispetto all'olio combustibile pesante a basso tenore di zolfo (Bicer e Dincer 2018b; Gilbert et al. 2018)" (AR6 WGIII Report 10.6.4). Sebbene l'idrogeno liquefatto abbia una densità energetica volumetrica relativamente bassa rispetto ai combustibili fossili liquidi, è comunque superiore a quella dell'idrogeno gassoso compresso e delle batterie. Pertanto, può essere un combustibile accettabile per alcune rotte marine di breve distanza.  

Sia l'idrogeno che l'ammoniaca possono essere utilizzati nelle turbine a gas, negli ICE o nelle celle a combustibile per ricavare energia. L'ammoniaca può anche essere utilizzata per trasportare l'idrogeno, dato che è più facile da trasportare rispetto all'idrogeno liquido. Oltre ad avere una densità energetica volumetrica superiore del 50% rispetto all'idrogeno liquido, l'ammoniaca ha un ulteriore vantaggio: circa 20 milioni di tonnellate all'anno (il 10% della produzione mondiale) vengono già trasportate via mare. Di conseguenza, numerosi impianti portuali dispongono già di infrastrutture di carico, stoccaggio e trasporto dell'ammoniaca(Gallucci 2021).  

Per avere un impatto benefico sul clima, l'idrogeno utilizzato nel cambio di combustibile o di materia prima deve avere una bassa intensità di gas serra. 

Figura 1. Intensità di gas serra del ciclo di vita degli autocarri pesanti. Ogni barra rappresenta l'intervallo di stime del ciclo di vita e i valori sono stati creati utilizzando i valori GWP a 100 anni nei dati di origine di ogni studio. ICEV" si riferisce a veicoli con motore a combustione interna. HEV" si riferisce a veicoli elettrici ibridi. BEV" si riferisce a veicoli elettrici a batteria. FCV" si riferisce a veicoli a celle a combustibile. IAM EMF33" si riferisce ai fattori di emissione per i biocarburanti avanzati derivati dai risultati delle simulazioni degli scenari EMF33. PM" si riferisce ai modelli parziali, dove "CLC" è con copertura del suolo costante e "NRG" è con ricrescita naturale. DAC FT-Diesel, elettricità eolica si riferisce al diesel Fischer-Tropsch prodotto attraverso un processo di cattura diretta dellaCO2 nell'aria che utilizza l'elettricità eolica. Ammoniaca e idrogeno, rinnovabili a basse emissioni di carbonio" si riferisce ai carburanti prodotti tramite elettrolisi utilizzando elettricità a basse emissioni di carbonio. Ammoniaca e idrogeno, gas naturale SMR" si riferisce ai carburanti prodotti tramite steam reforming del metano. (Fonte della figura e della didascalia: AR6 WGIII Figura 10.8) 

Per sfruttare appieno i benefici della transizione all'idrogeno dei principali settori emissivi, il WGIII ha sottolineato che l'idrogeno utilizzato deve avere una bassa intensità di gas serra (ad esempio, elettrolisi che utilizza elettricità a basse emissioni di carbonio, reforming del gas con tassi molto elevati di cattura e stoccaggio del carbonio, tassi molto bassi di emissioni di metano nella catena di approvvigionamento del gas naturale, sfiati/flaring minimi, ecc.) Un esempio illustrativo è rappresentato da una rassegna delle emissioni del ciclo di vita basate su diverse tecnologie di trasporto e/o tipi di carburante per gli autocarri pesanti. Il rapporto del WGIII conteneva questi grafici per ogni tipo di tecnologia di trasporto merci, ad eccezione dell'aviazione. Per gli autocarri pesanti, le emissioni del ciclo di vita dell'utilizzo di celle a combustibile alimentate con idrogeno ad alte emissioni (cioè con reforming senza cattura del carbonio) sono a volte paragonabili a quelle del diesel. Al contrario, l'idrogeno e i carburanti derivati dall'idrogeno (ammoniaca, FT-Diesel) prodotti utilizzando energia rinnovabile a basse emissioni di carbonio offrono una sostanziale riduzione delle emissioni rispetto all'attuale alternativa a combustibile fossile.  

Sfide e raccomandazioni CATF  

L'idrogeno a basse emissioni, tuttavia, non è privo di sfide. La sua efficacia come soluzione di decarbonizzazione, come osserva il WGIII, dipenderà dal suo costo rispetto all'idrogeno convenzionale e ai combustibili ad alte emissioni che va a sostituire, dal livello di preparazione tecnologica di specifici usi finali e dalla necessità di infrastrutture più diffuse (WGIII 6.6.2.4). Un'altra sfida fondamentale sarà quella di trovare un allineamento internazionale su uno schema di certificazione, elemento cruciale che non solo garantisce che l'idrogeno sia prodotto utilizzando percorsi vantaggiosi per il clima, ma stabilisce anche la fiducia del mercato accreditando il commercio tra i principali importatori ed esportatori di idrogeno.  

CATF contribuisce ad affrontare queste sfide attraverso un'analisi rigorosa, la progettazione di politiche pubbliche, l'educazione del pubblico e l'advocacy, assicurando che il mercato globale, le politiche e le condizioni politiche siano mature per una transizione completa dai combustibili ad alte emissioni alle soluzioni a zero emissioni. Raccomandiamo che le parti interessate continuino a investire nella ricerca, nello sviluppo, nella dimostrazione e nella diffusione ("RDD&D") per lo sviluppo responsabile della produzione e dell'uso di idrogeno a basse emissioni. Le iniziative di RDD&D, come gli U.S. Regional Clean Hydrogen Hubs, creeranno insegnamenti che potranno essere condivisi tra le regioni per catalizzare ulteriori investimenti pubblici e privati e la collaborazione. Le regioni dovrebbero anche cercare di espandere rapidamente l'elettricità a zero emissioni di carbonio, in particolare l'energia elettrica pulita di tipo "firm", che ridurrà i costi dell'idrogeno elettrolitico consentendo tempi più lunghi di funzionamento dell'elettrolizzatore. Quadri politici di sostegno e stimoli di mercato per le infrastrutture di gestione del carbonio saranno altrettanto fondamentali per ridurre i costi della produzione di idrogeno a base fossile con alti tassi di cattura e stoccaggio del carbonio.  

Conclusione 

Il WGIII dell'IPCC indica chiaramente che l'idrogeno a basse emissioni sarà uno strumento fondamentale per la soluzione dei cambiamenti climatici. Indica inoltre che l'idrogeno a basse emissioni ha un immenso potenziale nel contribuire alla decarbonizzazione di settori difficili da abbattere. Le regioni che hanno compreso questo aspetto e che vogliono adottare o inserire ulteriormente l'idrogeno a basse emissioni nelle loro strategie di decarbonizzazione devono guardare anche oltre i loro confini. La risoluzione di queste sfide politiche, di mercato e di ricerca richiederà un maggior numero di discussioni, collaborazioni e consensi a livello internazionale e la "Giornata della decarbonizzazione" della COP27 rappresenta una piattaforma di speranza per continuare queste discussioni.  

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