Idrogeno da fonti energetiche rinnovabili Le potenzialità dell Italia

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1 Idrogeno da fonti energetiche rinnovabili Le potenzialità dell Italia di Fabio Orecchini L adozione diffusa dell idrogeno come vettore energetico di larghissimo utilizzo mostra tutto il suo interesse nel caso dell Italia. Il potenziale annuo globale per la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili è stimabile in circa t, che possono diventare oltre t se si considera un livello tecnologico e di rendimento obiettivo per i processi di ottenimento. Questa quantità sarebbe sufficiente a soddisfare il fabbisogno dell intero parco auto italiano. Ua realizzazione di cicli eco-energetici chiusi è la sfida per l energia di domani [1]. E proprio in questa prospettiva che l opportunità di adozione diffusa dell idrogeno come nuovo vettore energetico di larghissimo utilizzo mostra tutto il suo interesse. A determinate condizioni, l idrogeno e l elettricità, applicati su larga scala, potrebbero infatti alimentare praticamente tutti gli usi energetici finali di cui l attività umana ha bisogno. L elettricità è ormai una soluzione indiscussa e la sua diffusione cresce inesorabilmente. L idrogeno è il miglior combustibile che si conosca, con il più alto contenuto energetico specifico (la sua combustione rende, a parità di peso, oltre tre volte il calore sviluppato dal petrolio 1 ) ed il più pulito (il calore sviluppato dalla reazione di ossidazione è accompagnato solo dalla formazione di vapore d acqua e, nel caso lo si bruci in atmosfera, di piccole quantità di ossidi di azoto). Essendo l elemento più diffuso in natura, l idrogeno permette una produzione diversificata e decentrata, garantendo la sicurezza dell approvvigionamento ed è il combustibile d elezione per le celle a combustibile (ha la più semplice reazione di ossidoriduzione). La transizione verso l idrogeno conferma la tendenza storica verso combustibili a Pci crescente (Figura 1), a più alto contenuto d idrogeno e in stati di aggregazione più efficienti per l utilizzo Ing. Fabio Orecchini, Cirps, Centro Interuniversitario di Ricerca per lo Sviluppo sostenibile, Università di Roma La Sapienza, Roma. L autore è grato al prof. Vincenzo Naso per la preziosa guida ed il supporto scientifico alla ricerca ed alla stesura del presente lavoro ed ai colleghi Enrico Bocci, Adriano Santiangeli e Fabrizio Zuccari per la valida collaborazione assicurata. Figura 1 - Confronto tra il Pci e il contenuto di idrogeno dei principali combustibili (da solidi a liquidi e poi a gas). Infine, l idrogeno, in questo superiore anche all elettricità, è in grado di rispondere ad una più vasta gamma di usi energetici finali, compresa la propulsione aeronautica e spaziale 2, potendo assicurare anche l accumulo di energia. I processi che consentono la produzione di idrogeno, che consiste nel rompere il legame con l ossigeno (nell acqua) o con il carbonio (negli idrocarburi e nelle biomasse), sono di tre tipi [2]: termochimici, che utilizzano energia termica; elettrochimici, che utilizzano energia elettrica; biochimici, che consentono di produrre idrogeno grazie all azione diretta di vari organismi (alghe, microrganismi, batteri, ecc) su sostanze organiche. Mentre i processi biochimici sono ancora in fase di ricerca, per i primi due il calore e l elettricità necessari alla produzione d idrogeno oggi sono forniti quasi esclusivamente dai combustibili fossili, che coprono più del 97% dell attuale produzione mondiale di idrogeno; gli oltre 40 milioni di tonnellate di idrogeno prodotti ogni anno sono impiegati prevalentemente per usi industriali. Non è, però, questa la strada migliore: in prospettiva, per produrre idrogeno, si dovrà ricorrere quasi esclusivamente alle fonti energetiche rinnovabili. Le relative tecnologie e gli impianti dovranno certamente essere perfezionati, ulte- 1 Il Pci dell idrogeno è intorno ai 120 MJ/kg mentre quello del petrolio è circa 42 MJ/kg. 2 Nella propulsione spaziale gravitazionale l idrogeno è certamente tra le soluzioni più efficaci; nella micropropulsione extragravitazionale si possono trovare alternative altrettanto valide (elettromagnetica a plasma ed elettrostatica). 47

2 riormente sperimentati e dimostrati su larga scala, per arrivare ad una competitività commerciale; ma la strada più promettente da intraprendere appare questa. La produzione massiccia di idrogeno da Fer, ovunque le condizioni lo permettano, ha una valenza strategica e di lungo periodo. Sperimentare subito, applicare e migliorare le tecnologie relative alla filiera dell idrogeno pulito è giustificato da queste considerazioni [3]: i cicli eco-energeticamente chiusi sono la soluzione obbligata a medio termine (al contrario dei cicli aperti, non sono soggetti a problemi geopolitici, ambientali e di limitazione delle risorse); producendo idrogeno, ovvero trasferendo al vettore idrogeno prodotto parte del contenuto energetico delle risorse rinnovabili, si superano quasi completamente i limiti intrinseci di queste, quali la bassa densità energetica, l aleatorietà, la discontinuità; i costi di installazione e produzione appaiono maggiori rispetto ai combustibili fossili perché non si tiene conto dei costi occulti, ossia dei maggiori costi complessivi che i fossili comportano per il loro elevato impatto ambientale e per altre sfavorevoli caratteristiche; e comunque essi sono destinati a diminuire con la diffusione massiccia delle Figura 2 - Confronto di flusso energetico tra impianti di pompaggio e di produzione di idrogeno per bacini idroelettrici nuove tecnologie, già ora competitive in alcuni settori; lo sviluppo delle rinnovabili, per loro natura a bassa densità e diffuse, favorisce un miglior presidio del territorio ed il contrasto dei fenomeni di degrado ed origina nuove opportunità occupazionali (per esempio, la conversione del bosco ceduo in alto fusto porta stabilità idrogeologica, minore esposizione agli incendi, maggiore assorbimento di CO 2 ed aumento della manodopera); si avrebbe una migliore interrelazione tra vettori energetici; l elettricità e l idrogeno possono essere trasformati l uno nell altro sempre con rendimenti accettabili. Possibile produzione di idrogeno da rinnovabili in Italia L analisi del potenziale tecnico delle risorse rinnovabili per la produzione di elettricità suggerisce alcune osservazioni riguardo ad un loro impiego finalizzato alla produzione di idrogeno [3]. Geotermico Per questa tecnologia non è plausibile, in Italia, una produzione dedicata di idrogeno tramite elettrolisi, in quanto tali impianti sono particolarmente adatti alla produzione di base per la rete elettrica; inoltre lo sfruttamento della risorsa è ormai prossimo al potenziale, quindi l energia elettrica eventualmente destinata alla produzione di idrogeno andrebbe a detrimento della quota di energia elettrica da rinnovabili immessa nella rete. Grande idroelettrico Impianti a bacino Tali impianti svolgono un importante funzione di volano per la rete elettrica, attraverso il pompaggio nelle ore notturne, di minore carico, quindi non vanno considerate per la produzione di idrogeno da elettrolisi. Infatti, l ipotesi di sostituire il pompaggio con la produzione di idrogeno da elettrolisi e la produzione di elettricità con FC risulta, con i rendimenti attuali, meno efficiente da un punto di vista energetico e meno conveniente da un punto di vista economico. Ad esempio, assumendo i seguenti valori per i rendimenti: pompaggio 76%, turbina idraulica 90% (produzione impianto idroelettrico 85%); elettrolisi 67%, celle a combustibile 50%, l efficienza energetica dello stoccaggio (per spostare la disponibilità di energia elettrica dalle ore vuote alle ore piene) risulta pari al 65% con il pompaggio e la successiva produzione di elettricità da idroelettrico ed al 33,5% con la produzione di idrogeno da elettrolisi per l alimentazione successiva di un impianto con celle a combustibile (FC). Nella Figura 2 è riportato il confronto tra i rispettivi diagrammi di flusso energetico. Impianti ad acqua fluente Per tali impianti, l uso di una parte dell energia elettrica generata durante i picchi di produzione per l elettrolisi dell idrogeno può regolarizzare l immissione di energia elettrica in rete e rappresentare un ottima soluzione in caso di eventuale surplus. In sintesi, la produzione di idrogeno da energia idroelettrica di surplus è già conveniente da un punto di vista energetico se non si ha disponibilità di sistemi di pompaggio. Mini-idro: può essere conveniente l utilizzo dell energia elettrica prodotta per la produzione di idrogeno da elettrolisi in diverse circostanze, quali le ore di surplus e in caso di impianti fuori rete. Eolico e fotovoltaico: una volta che queste due fonti destinate alla produzione di elettricità abbiano raggiunto una maggiore diffusione o in applicazioni particolari, la produzione di idrogeno tramite elettrolisi può portare al superamento di un ruolo altrimenti limitato di queste tecnologie (si veda più avanti la limitazione all immissione in rete di fonti aleatorie o discontinue). Non si considera la produzione di idrogeno da impianti fotovoltaici integrati negli edifici (anche se in un futuro, forse prossimo, ove i costi ed i rendimenti del fotovoltaico diventino migliori, potrebbe essere conveniente l installazione di una potenza elettrica maggiore del fabbisogno e, quindi, una conseguente produzione d idrogeno in loco che servirebbe, come detto prima, anche per stabilizzare il maggiore contributo di fonti aleatorie immesse in rete e per superare l aleatorietà e la discontinuità della fonte). 48

3 Biomasse e solare termico a concentrazione: come si è visto, nell analisi del potenziale di produzione di elettricità la fonte solare e le biomasse hanno enormi potenziali, per cui si possono individuare grandi potenzialità, come verrà esposto in seguito, per la produzione di idrogeno attraverso processi bio/termochimici [3]. Modalità e finalità dello studio Per una completa valutazione del potenziale di produzione dell idrogeno, partendo dall analisi del potenziale tecnico 3 è necessario analizzare molti fattori, tra i quali spiccano i possibili breakthrough tecnologici (che influiscono su rendimenti e volumi di produzione), le opportune strategie di penetrazione (diffusione, volumi produttivi, individuazione di mercati e investimenti necessari), i confronti con altri vettori energetici. Questo studio stima il potenziale tecnico attraverso una valutazione della frazione di elettricità prodotta da fonti rinnovabili, che può essere convenientemente dedicata alla produzione d idrogeno, cui va aggiunta la produzione diretta d idrogeno da biomasse e da solare a concentrazione; la valutazione fornisce cioè tutti gli elementi per poter operare una corretta stima dei costi di produzione [9]. Il risultato è la determinazione del potenziale basato sia sulle tecnologie disponibili (potenziale tecnico attuale), sia su un livello tecnologico di rendimento-obiettivo 4 (potenziale tecnico obiettivo). Produzione di idrogeno per elettrolisi Tenendo conto di quanto indicato in [3] e sopra richiamato, si ipotizza qui di usare per la produzione di idrogeno da elettrolisi soprattutto l energia elettrica prodotta da eolico, minidraulico e fotovoltaico (per quest ultimo la percentuale di energia elettrica utilizzabile è la più bassa, in quanto appare la tecnologia più adatta per la fornitura locale di elettricità 5 ). L energia elettrica prodotta con impianti idroelettrici di grossa taglia è usata quasi esclusivamente per l alimentazione della rete (5% per la produzione di idrogeno) mentre quella prodotta da impianti geotermici non viene usata affatto per l elettrolisi. Con tali ipotesi, la quota di Risorsa energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili non utilizzata per la produzione di idrogeno e messa in rete è pari al 40% dei consumi nazionali di energia elettrica del 2000 (circa 297 TWhe netti), ben al di sopra degli obiettivi per l Italia previsti dal Libro Bianco per l Energia (25% della produzione nel 2010) [1]. Il contributo di energia elettrica prodotta da fonti aleatorie o discontinue (vento, sole ecc.) è stimato pari a circa il 10%, in accordo con le stime che indicano come un contributo superiore 30% in termini di potenza installata non possa essere accettato. Infatti, l Italia è inserita nella grande rete elettrica europea interconnessa che, salvo incidenti, assicura una rilevante capacità di regolazione (tramite scambi energetici fra aree diverse e la modulazione dei gruppi termoelettrici e idroelettrici a bacino) ed una certa capacità di accumulo energetico intrinseca (per variazione della tensione) o intenzionalmente introdotta (gruppi idroelettrici di pompaggio). Tuttavia, poiché questo studio esplora uno scenario futuro di estesa penetrazione di impianti di generazione da fonti rinnovabili saltuarie, si è ritenuto di non superare il limite di penetrazione oltre il quale subentrano problemi di regolazione e/o spreco di energia disponibile. Riguardo all elettrolisi, per il calcolo del potenziale tecnico, si considera una produzione di idrogeno di 15 g/kwh (15 kt/twh) stimata in base ai rendimenti attuali. Per la stima del potenziale obiettivo si considera, invece, un valore di 20 g/kwh (in linea con gli obiettivi indicati dalle principali case per i prossimi anni [1]). Considerando il Pci dell idrogeno, si ha un rendimento energetico globale dell elettrolisi del 50% e, in prospettiva, del 67%. La Tabella 1 riassume il potenziale tecnico ed il potenziale obiettivo della produzione d idrogeno calcolati come sopra indicato. Come già rilevato in [3] anche in questo caso le maggiori potenzialità sono offerte dal solare fotovoltaico, mentre l eolico ha una potenzialità quasi doppia rispetto al minidro. Il fotovoltaico integrato, il grande idroelettrico e la geotermia, in linea con le considerazioni esposte precedentemente, costituiscono tecnologie di scarso interesse per la produzione di idrogeno, essendo invece particolarmente adatti alla produzione di elettricità da avviare direttamente all utente finale (PV integrato) o alla rete. Ovviamente in Paesi dotati di potenzialità idroelettriche e/o geotermiche superiori ai propri consumi elettrici (il caso più eclatante è quello dell Islanda), è ragionevole puntare su una massiccia produzione di idrogeno, che parta dall energia elettrica prodotta grazie a queste risorse primarie. Tabella 1 - Potenziale tecnico e potenziale obiettivo per la produzione d idrogeno da elettrolisi Potenziale Tecnico Potenziale Obiettivo EE tot % EE in rete Prod di EE tot % EE in rete Prod di (TWhe) H2 (TWhe) H2 (kt) (TWhe) H2 (TWhe) H2 (kt) Idro>10MW 38,4 5 36,48 28,84 38, ,48 38,40 Idro<10MW 14,8 70 4,44 155,61 16, ,89 228,20 Eolico 24,0 70 7,20 252,34 26, ,28 422,40 S. Fotovoltaico 15,0 70 4,50 157,50 22, ,50 360,00 S. Fotovolt. int. 47,5 0 47,50 0,00 71, ,25 0,00 Geotermia 14,7 0 14,70 0,00 14, ,70 0,00 Totale 154, ,82 594,29 189, , ,00 3 Il potenziale tecnico è la frazione del potenziale teorico che le tecnologie attuali permettono di sfruttare [3]. 4 Il rendimento-obiettivo misura le prestazioni conseguibili con gli impianti di conversione e trasformazione perfezionati, rispetto a quelli attuali, grazie ad ulteriore ricerca applicata ed all esperienza condotta sugli impianti installati ed eserciti. Il rendimento-obiettivo, quindi, è riferito alle previsioni di ragionevoli miglioramenti (di conversione, di costo, di affidabilità ecc.) conseguibili rispetto alle prestazioni attuali [3]. 5 Tra quelle esaminate, il fotovoltaico è la tecnologia che meglio si presta a soluzioni integrate negli edifici. In questo caso, trattandosi di impianti di piccola taglia per la produzione in loco di energia e collegati alla rete, si è escluso di usare l energia elettrica per produrre idrogeno. 49

4 Produzione di idrogeno da biomasse Per quanto riguarda le biomasse, in [3] è stata valutata una disponibilità annua, in Italia, di circa 40 Mt da destinare alla conversione termochimica e 20 Mt adatte alla conversione biochimica 6. Mediante il processo di gassificazione a vapore, dalle 40 Mt, si ottengono 2,48 Mt di idrogeno (si considerano 62 g di idrogeno per kg di biomassa, cioè un rendimento globale del 40% 7 ). Tabella 2 - Potenziali di produzione di idrogeno da rinnovabili per fonte o tecnologia Fonte/ Potenziale Potenziale Possibile Tecnologia Tecnico Obiettivo Incremento (T/anno) (T/anno) (%) Biomasse Solare FV Solare a concentraz Eolica Goetermica Idroelettrico>10MW Idroelettrico<10MW Totale Dalle 20 Mt si ottengono circa 333 kt di H 2 (1 kg di biomassa produce 0,1 m 3 di gas composto prevalentemente da CH 4, (55%) e CO 2 da cui per reforming si ottengono 11 g di idrogeno, con un rendimento globale del 15%) [1]. Considerando che gli impianti che sfruttano le tecnologie sopra indicate sono ancora allo stadio dimostrativo, si prevede di poter conseguire significativi aumenti dell affidabilità (numero di ore annue equivalenti di funzionamento) e dei rendimenti (attraverso un miglioramento del processo e dell impiantistica). Traducendo tutto ciò in un aumento del rendimento globale, rispettivamente, dell ordine del 40-50% e 15-25%, per i due processi, si stima un potenziale tecnico obiettivo di 3,1 Mt per il Bigc (Biomass Integrated Gasification Cycle) e di 0,45 Mt per gli impianti di produzione di biogas da digestore anaerobico con reforming. Produzione di idrogeno da impianti solari a concentrazione 6 Le biomasse considerate in [4] (97,3 Mt) non sono tutte adatte alla produzione di idrogeno ma, considerando le potenzialità offerte dalle colture energetiche da destinare alla produzione di idrogeno ( km 2 di terreni incolti, che potrebbero produrre 30 Mt, anche considerando un rendimento, basso, di 10 t/ha), la previsione appare plausibile. 7 Con 1 kg di biomassa e 0,5 kg di vapore si ottengono 1,5 Nm 3 di gas, composto per circa il 45% da H2 (densità H2 0,0886 kg/nm3) [12]. 8 Ipotesi comune ai vari scenari è che il 90% degli autoveicoli utilizzi celle a combustibile, con rendimento pari al 50%, ed il restante 10% motori a combustione interna, con rendimento pari al 20%. Attraverso processi di termolisi che sfruttano energia solare, risultano potenzialmente producibili 2,9 Mt/anno di idrogeno, naturalmente considerati soltanto nel caso di potenziale obiettivo e tali da giustificare con la loro cospicuità investimenti ingenti per il conseguimento. Tale stima è basata sulle seguenti ipotesi: - occupazione del suolo pari a km 2 ; - 1 m 2 di superficie captante per 10 m 2 di suolo occupato complessivamente dall impianto [1]; - rendimento complessivo per la produzione di idrogeno pari al 35% (rendimento globale dei cicli chimici pari al 53%; rendimento globale di captazione dell energia solare del 66%) [7]. Potenzialità della produzione di idrogeno da rinnovabili Sulla base di quanto esposto, il potenziale annuo globale di produzione di idrogeno da fonti rinnovabili è stimabile in circa t, che possono diventare oltre t se si considera un livello tecnologico e di rendimento obiettivo per il sistema di elettrolisi e per i processi bio/termochimici. La Tabella 2 riassume i potenziali per fonte e tecnologia. Possibile uso dell idrogeno nel settore degli autotrasporti Il potenziale con rendimento obiettivo può essere messo in relazione con il possibile futuro mercato europeo di idrogeno nel settore degli autotrasporti, valutando i seguenti scenari 8 [1]: Scenario A: 20% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a idrogeno; Scenario B: 50%; Scenario C: 100%. Attraverso una analisi qualitativa, basata su criteri analoghi a quelli impiegati ed esposti in [16], si è giunti alle seguenti conclusioni: - nello scenario A, l Italia può fornire il 93% del mercato europeo con la propria produzione di idrogeno da rinnovabili (coprendo il 100% del mercato italiano); - nello scenario B, l Italia può alimentare il 40% del mercato europeo con la propria produzione di idrogeno da rinnovabili (ancora coprendo il 100% del mercato italiano); - nello scenario C, l Italia può coprire il 20% del mercato europeo ed il 100% del mercato italiano. Conclusioni Considerate le enormi potenzialità individuate, la produzione di idrogeno da rinnovabili può rappresentare per l Italia un opportunità unica per intraprendere con decisione la via di uno sviluppo sostenibile ed affrancarsi dal problema della dipendenza energetica. La messa a punto di nuove modalità di fornitura dell energia a qualsiasi tipologia di utente costituisce la più grande opportunità per dar vita ad un sistema sostenibile da un punto di vista ambientale. In questo senso, la strategia basata sull idrogeno appare vincente a medio termine: dapprima per ragioni ambientali, poi anche per quelle tecnologiche, economiche e sociopolitiche. Il futuro mercato dell idrogeno è legato in larga parte a tecnologie ormai dimostrate, praticamente mature, ma che richiedono un completamento dell attività di sviluppo e l avvio della fase di industrializzazione per l intero nuovo comparto da costruire. Al fine di creare i presupposti per la dif- 50

5 fusione dell uso dell idrogeno e, quindi, per un effettivo cambiamento del sistema energetico, è necessario perseguire i seguenti obiettivi: - attuazione di appropriate politiche di indirizzo, da concordarsi alla più ampia scala internazionale ed in base ad accordi, anche di tipo volontario, tra imprenditoria pubblica e privata, amministratori e con il consenso della società civile; - miglioramento dell efficienza delle tecnologie; - sviluppo di standard appropriati e di opportune misure legislative e normative. Per restare al nostro Paese, appare evidente la necessità di un immenso sforzo di risorse umane e di capitali da dedicare alla nascita dell economia dell idrogeno (produzione, stoccaggio, infrastrutture, usi finali richiederebbero investimenti dell ordine di grandezza delle centinaia di miliardi di euro in dieci, quindici anni [8]). D altra parte, a prescindere dai recuperi finanziari che si possono ragionevolmente prevedere, la possibilità di ottenere gran parte del combustibile partendo da fonti rinnovabili (e quindi locali), porterebbe grandi vantaggi politici e strategici ed un enorme beneficio per la bilancia dei pagamenti, oggi gravata dal costo di importazione di quasi tutta l energia di cui il Paese necessita. Bibliografia [1] F. Orecchini, V. Naso, La società No Oil, Orme Editori, Milano, [2] G. Cacciola, F. Orecchini, R. Vellone, Idrogeno: il Sistema Energetico, le Celle a Combustibile, Gli Usi Finali, Ecoenergie, Ises Italia, Ottobre [3] F. Orecchini, F. Zuccari, E. Bocci, A. Santiangeli, Elettricità da fonti energetiche rinnovabili le potenzialità dell Italia, La Termotecnica, Gennaio [4] Energia per il futuro: le fonti energetiche rinnovabili - Libro Bianco per una strategia ed un piano d azione della Comunità, Com(97) 599 def. Del 26/11/1997 e Libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, Cipe (Comitato Interministeriale Programmazione Economica), Agosto [5] P. Kruger, Electric power requirement in the United States for large-scale production of hydrogen fuel, Vol.25, I. J. Hydrogen Energy, [6] European Science Foundation, BfcNet, Proceedings of the workshop at Genova 29 th -30th January 2003, dal sito [7] Maccari, Vignolini, Rubbia, Progetto di massima di un impianto pilota per la produzione di 2000 m 3 al giorno di idrogeno solare basto sul processo UT-3, Enea, [8] Cirps-Gruppo Energia ed Ambiente, Prime valutazioni delle potenzialitàdi produzione di idrogeno da fonti rinnovabili, Roma H Incontro tecnico organizzto da Cnr, Enea e Cirps - Unità di Roma La Sapienza, Roma, Ottobre [9] Cirps-Gruppo Energia ed Ambiente, Gruppo di ricerca Mattioli-Scalia, Valutazioni economiche sulla produzione di idrogeno da fonti rinnovabili, In corso di completamento, Roma

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