I colori dell’idrogeno: da MCE Lab una panoramica sui processi di produzione

Per la produzione dell’elemento chimico più diffuso in tutto l’Universo, ed elemento chiave alla base della vita sulla Terra, sono stati definiti una serie di “colori” con i quali distinguere i diversi processi produttivi dell’idrogeno in base alla fonte energetica utilizzata e, conseguentemente, alle relative emissioni di CO₂ in atmosfera.

Possiamo produrre idrogeno a costi competitivi e senza emissioni di CO₂? 

A questa domanda proveranno a dare risposta MCE e ANIMA Confindustria durante la giornata di confronto con gli operatori di settore e gli stakeholder istituzionali, in programma il 28 giugno a Mostra Convegno Expocomfort.

Idrogeno: vettore energetico come soluzione alla decarbonizzazione?

MCE Lab, l’osservatorio sul vivere sostenibile promosso da MCE – Mostra Convegno Expocomfort, si avvale dell’Hydrogen Innovation Report dell’Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano per comprendere meglio le dinamiche che ruotano attorno al mondo dell’idrogeno, un vettore energetico sul quale si sono catalizzate grandi aspettative in merito alla concreta possibilità di rappresentare una soluzione chiave nel processo di decarbonizzazione dell’Europa. 

Per spiegare la caratterizzazione delle diverse tipologie di idrogeno è stata utilizzata una rappresentazione a colori, ognuno riferito a uno specifico processo di produzione, oltre che alle diverse fonti energetiche utilizzate nei processi. Il tema è importante alla luce delle problematiche connesse alla sua produzione, in particolare riguardo alle emissioni di CO₂, sia per quanto riguarda i modelli di business e di sostenibilità economica.

“Quando si parla di “idrogeno” nel contesto energetico si intende in realtà la molecola di idrogeno H₂, molecola presente allo stato gassoso in condizioni ambiente e in realtà molto poco diffusa in atmosfera. – dichiara il prof. Vittorio Chiesa, Direttore dell’Energy & Strategy Gruppo del Politecnico di Milano e Coordinatore scientifico di MCE Mostra Convegno Expocomfort – La sua importanza risiede nella possibilità di produrre energia, termica mediante combustione, o elettrica mediante elettrolisi, in maniera pulita senza emissione di anidride carbonica. La difficoltà risiede nel fatto che la molecola di idrogeno è scarsamente presente in natura e va quindi prodotta, consumando a sua volta energia e con un costo associato. Il bilancio tra le emissioni di CO₂ nella produzione della molecola di idrogeno e i costi complessivi per la sua generazione, trasporto e stoccaggio è alla base dell’intero ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica”.

I processi di produzione qui sopra citati e le rispettive fonti energetiche in ingresso sono caratterizzati da impatti ambientali molto differenti fra loro, e, in particolare, la produzione di idrogeno marrone si rivela la più inquinante con valori che si assestano nel range di 18-20 t CO₂/t H₂, mentre l’idrogeno verde si rivela neutro dal punto di vista della carbon footprint.

Produzione di idrogeno: la situazione a livello globale

A livello globale, la produzione di idrogeno come prodotto primario si attesta intorno a circa 70 Mton, mentre altre 48 Mton di idrogeno sono ottenute come prodotto secondario (by-product) di alcuni specifici processi, specialmente nell’industria chimica e nelle raffinerie: 

• la produzione diretta di idrogeno deriva quasi interamente da fonti fossili (99,3%): in particolare, oltre il 70% si riferisce a idrogeno grigio prodotto in larga parte nel processo di Steam Methane Reforming, il 28% si riferisce a idrogeno marrone, prodotto dalla gassificazione del carbone. La restante quota si suddivide tra idrogeno blu (0,6%) e idrogeno green (0,1%);
  
  
• in modo analogo, anche l’idrogeno prodotto come «scarto» di altri processi risulta fortemente legato a fonti fossili e soltanto lo 0,5% può essere considerato idrogeno green.
  
  

Tecnologie di produzione per l'idrogeno marrone

La produzione di idrogeno marrone, che avviene mediante la gassificazione del carbone, risulta un processo maturo e ben sviluppato in quanto utilizzato per molti anni all’interno dell’industria chimica e dei fertilizzanti per la produzione di ammoniaca. Il processo di gassificazione del carbone avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante (tipicamente aria - ossigeno o vapore). 

Tecnologie di produzione per l'idrogeno grigio

La soluzione più diffusa a livello mondiale per la produzione di idrogeno grigio risulta quella dello steam reforming che sostanzialmente è declinabile in 3 processi principali: 

1. STEAM METHANE REFORMING (SMR) - In questo processo il vapore acqueo viene miscelato con il gas naturale agendo come ossidante del metano in una reazione endotermica, producendo idrogeno e CO; quest’ultimo verrà successivamente convertito in CO₂ e H₂ mediante un processo di Water Gas Shift (WGS);
   
   
2. PARTIAL OXIDATION - L’ossigeno viene utilizzato come ossidante in una miscela con il combustibile; questo processo viene utilizzato per estrarre idrogeno dal petrolio grezzo e dal carbone. Anche in questo caso si utilizza in cascata un processo di Water Gas Shift;
   
   
3. AUTOTHERMAL REFORMING (ATR) - Questo processo rappresenta una combinazione dei due processi precedenti. 

Tecnologie di produzione per l'idrogeno blu

La produzione di idrogeno blu consiste nell’installazione di un impianto di Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) all’interno dei processi di Steam Methane Reforming o di gassificazione del carbone. 

Tecnologie di produzione per l'idrogeno giallo

In questo caso l’idrogeno generato dall’elettrolisi dell’acqua con elettricità della rete (ossia fornita da fonti miste, comprese le fossili).

Tecnologie di produzione per l'idrogeno rosa

Con questo colore si identifica la produzione da elettrolisi alimentata da energia nucleare.

Tecnologie di produzione per l'idrogeno turchese

Il vettore viene estratto dal metano tramite pirolisi: il processo prevede di riscaldare il gas in assenza di ossigeno per rompere termicamente i legami chimici e ottenere idrogeno e carbonio solido. Il processo in sé non produce emissioni dirette di CO₂ ma considerando l’intero ciclo di vita è legato a significativi livelli di gas serra.

Tecnologie di produzione per l'idrogeno verde

L’idrogeno verde viene prodotto tramite il processo di elettrolisi che si può descrivere come la scissione della molecola d’acqua in idrogeno e ossigeno per via elettrochimica (water split). Dal punto di vista ambientale, le emissioni di CO₂ associate a questo processo di produzione sono, fondamentalmente, solo quelle della produzione dell’energia elettrica; e quindi nel caso di utilizzo di energia rinnovabile sono sostanzialmente nulle.

L’idrogeno verde è a oggi l’unica tecnologia presente sul mercato in grado di rispettare appieno i limiti di emissioni imposte dalla Direttiva Europea RED II del 2021. 

Alla luce dei dati appena illustrati possiamo concludere come al momento i processi principali per la produzione dell’idrogeno siano legati all’utilizzo di combustibili fossili (gas naturale e carbone), rispettivamente “marrone”, “grigio”, in quanto le uniche con uno stadio di sviluppo significativo ad essere presenti oggi sul mercato. 

Poco rilevante a livello di numeriche attuali appare la produzione a basse/nulle emissioni di CO₂, ottenuta attraverso l’utilizzo del Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) e dell’elettrolisi. Queste soluzioni, anche grazie a un affinamento delle tecnologie e dei processi produttivi, che permetteranno un abbattimento del Levelized Cost of Hydrogen (LCOH), otterranno nel prossimo futuro una «rilevanza» sempre maggiore.

La sfida nella produzione di idrogeno

“Il tema centrale della produzione dell’idrogeno sta tutto qui: come produrre idrogeno per gli attuali usi e per gli usi futuri come il trasporto pesante, il riscaldamento urbano o la decarbonizzazione di alcuni processi industriali come la siderurgia, a costi competitivi con gli attuali, ma senza emissioni di CO₂ in atmosfera” – conclude il prof. Chiesa. 

Quali e quanto difficili sono le sfide per far sì che questo diventi realtà? 

A questa domanda proveranno a dare risposta MCE e ANIMA Confindustria durante la giornata di confronto con gli operatori di settore e gli stakeholder istituzionali, in programma il 28 giugno a Mostra Convegno Expocomfort.