L'economia pulita dell'idrogeno nel Midwest: Potenziale di decarbonizzazione dell'industria vantaggioso per la comunità e per il clima

Il Midwest è un'area dinamica e diversificata del Paese, con un'economia che non comprende solo l'agricoltura. Il Midwest ospita la più grande raffineria di petrolio del Paese, la maggior parte della produzione nazionale di ferro e acciaio, numerosi produttori di fertilizzanti e prodotti chimici e una vasta rete di trasporti interstatali e pesanti. Ognuna di queste industrie è considerata un settore difficile da abbattere, poiché utilizza carburanti a base di carbonio (ad esempio, il diesel) o produce carbonio come parte del proprio processo produttivo (ad esempio, acciaio o raffinerie) e non può essere completamente decarbonizzata attraverso l'elettrificazione. L'idrogeno a basse emissioni di carbonio è una componente fondamentale delle soluzioni per la mitigazione del clima, soprattutto come input per altri prodotti per queste industrie difficili da abbattere e come carburante a zero emissioni in sostituzione degli attuali combustibili liquidi. Per questo motivo, è probabile che l'idrogeno svolga un ruolo importante nel raggiungere in modo economico la completa decarbonizzazione dell'economia entro il 2050. 

Nel 2023, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha lanciato una Strategia nazionale per l'idrogeno per aumentare la produzione e l'uso di idrogeno a basse emissioni di carbonio in tutto il Paese. Data la concentrazione di industrie difficili da smantellare nel Midwest, la regione può trarre vantaggio dal Programma regionale degli hub per l'idrogeno pulito (Regional Clean Hydrogen Hubs Program) varato dal Congresso. In particolare, il programma Hubs del DOE può aiutare e dovrebbe garantire che l'idrogeno a basse emissioni di carbonio sia prioritario per i settori di utilizzo finale che attualmente utilizzano l'idrogeno, al fine di massimizzare le riduzioni delle emissioni di anidride carbonica (_CO2) esistenti. Con l'espansione del programma Hubs e l'aumento delle quantità prodotte, dovrebbero essere privilegiati altri settori di utilizzo finale che si dimostrano promettenti per i benefici climatici e per la comunità, compresi i settori chiave del Midwest come l'industria pesante e i trasporti pesanti. 

Gli hub dell'idrogeno del Midwest 

Attualmente l'idrogeno è utilizzato come materia prima e come fonte di combustibile per una serie di prodotti utilizzati in tutto il mondo moderno. Oggi l'idrogeno è prodotto quasi esclusivamente da materie prime fossili, con la maggior parte dell'idrogeno globale attuale prodotto attraverso un processo chiamato steam methane reformation (SMR) in cui il gas naturale viene fatto reagire con il vapore per scindere entrambe le molecole, ottenendo idrogeno puro e_CO2. A livello globale, l'attuale produzione di idrogeno ad alta intensità di carbonio è responsabile di oltre 900 milioni di tonnellate di emissioni di_CO2 all'anno (circa il 2,5% delle nostre emissioni globali). Il programma Hubs mira ad affrontare queste emissioni esistenti e a catalizzare nuovi usi dell'idrogeno in settori difficili da abbattere, fornendo risorse dimostrative per spostare i processi produttivi esistenti verso metodi di produzione a basse emissioni di carbonio. Cinque hub del Midwest hanno presentato le domande finali al DOE attraverso il processo competitivo del Programma Hubs, tra cui:  

• Polo dell'idrogeno pulito dei Grandi Laghi (GLCH) 
• Hub Heartland(HH2H) 
• Hub per l'idrogeno, l'agricoltura, le rinnovabili, i veicoli, l'accumulo di energia e il trasporto (HARVEST) 
• Hub dell'idrogeno pulito del Mid-Continent(MCH2) 
• Alleanza del Midwest per l'idrogeno pulito(MachH2) 

Dei cinque candidati, HH2H e MachH2 sono stati selezionati dal DOE per la prossima fase del programma Hubs.  

Questi richiedenti prevedono di sviluppare processi di produzione e utilizzi finali primari simili, secondo la ricerca CATF , gli annunci dei richiedenti e l'annuncio dell'Office of Clean Energy Demonstrations (OCED) del DOE, come mostrato nella tabella seguente. 

	Stati coinvolti	Richiedente/i principale/i	Percorso di produzione	Utenti finali
HH2H	MT, MN, ND, SD, WI*	U. Centro di ricerca sull'energia e l'ambiente del Nord Dakota	Gassificazione delle biomasse Nucleare Rinnovabili Gas naturale con cattura e sequestro del carbonio	Fertilizzanti Produzione di energia Riscaldamento residenziale Trasporti
MachH2	IL, IN, MI	Costellazione	Nucleare Rinnovabili Gas naturale con cattura e sequestro del carbonio	Raffinazione industriale Trasporti Generazione di energia elettrica

Mentre questi due hub selezionati andranno avanti, resta da vedere se i tre candidati rimanenti procederanno in modo indipendente. 

La produzione a basse emissioni di carbonio è essenziale 

Sia HH2H che MachH2 hanno dichiarato che utilizzeranno una combinazione di energia nucleare, eolica e solare per alimentare gli elettrolizzatori che produrranno idrogeno a basse emissioni di carbonio attraverso la scissione dell'acqua. Entrambi gli hub prevedono anche una produzione da gas naturale con cattura e sequestro del carbonio. Indipendentemente dal metodo di produzione, gli hub devono fare ogni sforzo possibile per ridurre al minimo le emissioni di gas serra. Per la produzione basata su elettrolizzatori, ciò significa utilizzare elettricità a zero emissioni di carbonio per far funzionare gli elettrolizzatori. Per la produzione basata sul gas naturale, ciò significa raggiungere alti tassi di cattura del carbonio, ridurre al minimo le perdite di metano dalla catena di approvvigionamento del gas naturale e utilizzare elettricità a zero emissioni di carbonio per qualsiasi processo elettrico.   

Gli usi finali ad alto valore dovrebbero essere privilegiati 

Come per tutti i nuovi investimenti in tecnologia, ci sono sia promesse che clamore. Si è parlato molto dell'utilizzo dell'idrogeno per diversi usi finali, ma è importante notare che la sua produzione è ad alta intensità energetica ed è un vettore energetico costoso. Per questi motivi, gli hub dovrebbero dare priorità all'uso dell'idrogeno nei settori che attualmente lo utilizzano come input, seguiti dai settori che non hanno alternative di decarbonizzazione praticabili o che sono proibitivamente costosi da elettrificare. Nel Midwest, l'idrogeno rappresenta un'opzione per compensare le emissioni esistenti per diversi settori principali:  

1. Raffinazione del petrolio
   
   A livello globale, circa il 43% di tutto l'idrogeno attualmente prodotto viene creato e consumato nelle raffinerie di petrolio. Sostituire l'attuale produzione di idrogeno ad alte emissioni con idrogeno a basse emissioni di carbonio è una soluzione semplice che può ridurre le emissioni_{di CO2} nel breve termine, mentre nei prossimi decenni le raffinerie passeranno a un'economia a basse emissioni di carbonio.  

2. Produzione di ammoniaca
   
   A livello globale, la produzione di ammoniaca, utilizzata soprattutto per creare fertilizzanti, produce circa 500 milioni di tonnellate metriche di_CO2. La sostituzione degli attuali metodi di produzione di idrogeno con idrogeno a basso contenuto di carbonio può ridurre significativamente l'intensità di carbonio di questo processo.  

3. Produzione di ferro e acciaio
   
   Il Midwest è una delle centrali dell'industria siderurgica degli Stati Uniti. L'idrogeno può essere utilizzato in alcune di queste acciaierie come sostituto del carbone coke nel processo di raffinazione del ferro o bruciato in un ambiente di ossigeno puro (chiamato "ossicombustione") in sostituzione del gas naturale in applicazioni ad alto calore come la produzione di acciaio e vetro. 

4. Metanolo
   
   Il metanolo è una materia prima chimica presente in un'ampia gamma di prodotti domestici e chimici. La sua produzione utilizza il gas naturale come materia prima. La sostituzione con idrogeno a basse emissioni di carbonio ridurrebbe l'intensità complessiva di carbonio di questa materia prima di base. Tuttavia, data la sua struttura chimica (_CH3OH), non può essere completamente decarbonizzato. 

Altri usi promettenti che potrebbero apportare benefici al clima nel Midwest includono: 

1. Trasporto pesante a lungo raggio
   
   Le flotte di autocarri diesel attraversano la regione e il Paese, creando un significativo inquinamento atmosferico locale lungo i corridoi interstatali. Sebbene siano attualmente disponibili veicoli elettrici a batteria (BEV) per le flotte di mezzi pesanti, i veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) utilizzano l'idrogeno come vettore energetico e offrono una serie di vantaggi rispetto ai loro omologhi BEV. 

2. Carburanti per il trasporto marittimo
   
   Il trasporto marittimo nella regione dei Grandi Laghi, sulle flotte di chiatte fluviali nel Midwest e a livello globale si basa in larga misura sul gasolio. L'idrogeno, l'ammoniaca e il metanolo a basse emissioni di carbonio sono tutte opzioni per sostituire le attuali flotte diesel e l'approvvigionamento dell'idrogeno per questi carburanti finali da fonti a basse emissioni di carbonio contribuirà a garantire che queste conversioni siano il più possibile vantaggiose per il clima. 

3. Raffinazione dei biocarburanti
   
   Proprio come la raffinazione del petrolio, le materie prime da biomassa utilizzate per creare biocarburanti richiedono idrogeno per rimuovere l'ossigeno e idrotrattare il prodotto finale. La sostituzione dell'attuale produzione di idrogeno con idrogeno a basso contenuto di carbonio è un'altra opportunità per ridurre le emissioni associate alla produzione di biocarburanti. 

4. Carburanti per l'aviazione sostenibili
   
   Il settore dell'aviazione rappresenta circa il 2% delle emissioni globali di_CO2 e gli aerei sono difficili da elettrificare. I carburanti sostenibili per l'aviazione (SAF) sono un campo di studio molto nuovo che si svilupperà nei prossimi decenni. L'idrogeno può rappresentare un'opzione di decarbonizzazione - attraverso aerei alimentati a idrogeno, l'uso dell'idrogeno come materia prima in un carburante sintetico o il necessario idrotrattamento dei SAF a base biologica. Le potenziali riduzioni delle emissioni di questi carburanti sostitutivi attualmente proposti richiederanno l'idrogeno a basse emissioni di carbonio come materia prima. 

L'idrogeno viene preso in considerazione anche per altri settori e usi finali, ma questi casi potrebbero non essere i percorsi di decarbonizzazione più vantaggiosi per il clima e la comunità. La combustione dell'idrogeno con l'aria può potenzialmente aumentare le emissioni locali di ossidi di azoto (NOx), che sono collegati a rischi per la salute respiratoria. Pertanto, l'uso dell'idrogeno per la miscelazione del gas naturale, la produzione di energia, il riscaldamento residenziale e i veicoli leggeri o passeggeri (chiamati motori a combustione interna a idrogeno, o H2ICE) devono essere esaminati per assicurarsi che non aggravino i problemi di inquinamento atmosferico locale in comunità storicamente sovraccariche. Qualsiasi aumento previsto dovrà essere soppesato rispetto alla diminuzione di altre emissioni locali (ad esempio, il particolato), in modo che le comunità possano valutare i compromessi e determinare le alternative. Allo stesso modo, l'uso dell'idrogeno come opzione di stoccaggio stagionale dell'energia può avere alcune applicazioni di nicchia, ma il suo uso sarà probabilmente specifico a livello regionale. 

Cosa c'è dopo 

Nonostante siano stati selezionati come finalisti, i due hub del Midwest non sono ancora definitivi. Ora il programma Hubs passa alla fase di negoziazione, in cui il DOE e i candidati Hubs svilupperanno una comprensione condivisa dell'ambito del progetto, del budget e dei requisiti per l'accordo di assegnazione, compresi gli impegni relativi ai benefici per la comunità. Nell'ambito di questo processo, il coinvolgimento della comunità e i piani per i benefici per la comunità saranno essenziali per garantire che le comunità ospitanti siano informate sulla tecnologia e siano in grado di fornire input per modellare i benefici e mitigare i rischi associati a questi nuovi progetti infrastrutturali. Si tratta di una componente centrale del Programma Hubs e sarà essenziale che le comunità ospitanti, gli sviluppatori e le terze parti interessate, come CATF, lavorino in collaborazione per affrontare le nuove sfide che potrebbero emergere. Alcune di queste potrebbero essere: 

• Decisioni di localizzazione per energie rinnovabili, elettrolizzatori, stoccaggio del carbonio, stoccaggio dell'idrogeno e infrastrutture di trasporto; 
• Garantire che la domanda di idrogeno si sviluppi nei settori in cui l'idrogeno è già utilizzato come fattore di produzione, seguiti dai settori in cui l'idrogeno è più promettente per la decarbonizzazione dei settori difficili da abbattere. 
• Massimizzare i benefici locali (es. miglioramento della qualità dell'aria e opportunità di sviluppo della forza lavoro) e mitigare i rischi (es. uso, trattamento, riutilizzo e smaltimento sicuro dell'acqua). 

Ad oggi, sia HH2H che MachH2 hanno presentato vari aspetti dei loro piani di benefici per la comunità e ci sono molti aspetti degni di nota. HH2H, ad esempio, prevede un potenziale accordo di partnership azionaria con le nazioni Mandan, Hidatsa e Arikara, gli agricoltori locali e le cooperative agricole; si concentra sulla creazione di ricchezza per i partner della comunità; incorpora programmi STEM e di apprendistato K-12; è governato da un comitato consultivo CBP. Allo stesso modo, MachH2 si è impegnata a coinvolgere le comunità storicamente svantaggiate per ottenere posti di lavoro ad alta remunerazione associati all'hub; si è impegnata a destinare oltre il 40% dei fondi dei subappaltatori a imprese commerciali diversificate; è governata da un gruppo di lavoro consultivo sui benefici per la comunità e da consigli consultivi locali. Ora che i candidati sono passati alla fase di negoziazione del Programma hub, sarà essenziale garantire che questi impegni prendano vita. 

Il Midwest è ricco di industrie che potrebbero ridurre in modo significativo le emissioni di carbonio grazie alla costruzione e all'uso di idrogeno a basse emissioni di carbonio. Con un coinvolgimento significativo della comunità e partnership che prevedano l'autorità decisionale per le comunità ospitanti e uno sforzo in buona fede per affrontare le preoccupazioni della comunità, questi hub e i loro progetti hanno il potenziale per affrontare l'inquinamento atmosferico locale e creare opportunità di lavoro nel settore dell'energia pulita per le comunità locali. Per far sì che questi benefici si concretizzino nel Midwest, tuttavia, sarà essenziale una profonda collaborazione tra le comunità, gli sviluppatori degli hub e i responsabili politici.  

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Per saperne di più sugli hub dell'idrogeno, consultare la mappa degli hub dell'idrogeno negli Stati Uniti( CATF) e il nostro blog più recente sull' annuncio della selezione degli hub dell'idrogeno. Queste risorse saranno aggiornate man mano che emergeranno ulteriori dettagli sugli hub.