Biometano-idrogeno: il green gas del futuro

Sempre più spesso sentiamo parlare di biometano e idrogeno come fonti di energia per il prossimo futuro, fondamentali per agevolare il percorso di decarbonizzazione verso un impatto climatico zero.

In realtà biometano e idrogeno sono fruibili già oggi: scienziati e tecnici sono impegnati per produrli con energie rinnovabili, conservarli apportando meno energia possibile e ridurre i costi della loro distribuzione.

Ma che cos’è l’idrogeno e come può essere utilizzato in alternativa al gas naturale nella rete domestica? Scopriamolo. 

L’idrogeno è l’elemento chimico più leggero e abbondante in natura. Costituisce quasi il 90% della massa visibile dell’universo. È presente nell'acqua, nei composti e nelle sostanze organiche. Lo troviamo anche in diversi gas naturali e nell'atmosfera.
Tra le principali caratteristiche dell’idrogeno ci sono quelle di essere:

• inodore
• incolore
• insapore
• infiammabile

Il suo potere calorifico pari a 33,33 KWh/Kg - maggiore rispetto a quello del gas naturale che è di 13,1 KWh/Kg - rende il costo del suo trasporto in rete elevato.
Per questo molti ricercatori, aziende e investitori stanno cercando di capire come produrlo e come sfruttarlo al meglio come energia rinnovabile. Infatti può essere definito un gas “ecologico” in quanto il suo utilizzo non produce emissioni di anidride carbonica e questo lo rende un elemento fondamentale per la transizione energetica del pianeta.

Allo stato attuale l’idrogeno è classificato in cinque classi in relazione alla modalità di produzione:

• Marrone: l'idrogeno marrone si ottiene dalla gassificazione del carbone. Per la sua produzione si emettono più di 20 kg di anidride carbonica per ogni chilogrammo di idrogeno.
• Grigio: più del 90% dell'idrogeno prodotto è “grigio”. Questo elemento ha usi industriali, per esempio nella chimica. Può essere lo scarto produttivo di una reazione chimica, oppure può essere estratto dal metano (che è formato da idrogeno e carbonio [CH4]) o da altri idrocarburi. L’anidride carbonica generata viene rilasciata nell’ambiente. Pertanto questa modalità di produzione non è accettabile in un’ottica di un’energia pulita. Per la sua produzione si emettono più di 9 kg di anidride carbonica per ogni chilogrammo di idrogeno.
• Blu: l’idrogeno “blu” è l’elemento estratto da idrocarburi fossili dove, a differenza del “grigio”, l’anidride carbonica, che risulta dal processo, non viene liberata nell’aria bensì viene catturata e immagazzinata. Genera 9-10 kg di anidride carbonica per ogni kg di idrogeno prodotto.
• Viola: l’idrogeno “viola” viene estratto dall’acqua usando la corrente prodotta da una centrale nucleare, cioè a zero emissione di CO2.
• Verde: l'idrogeno “verde” viene estratto dall’acqua usando la corrente prodotta da una centrale alimentata da energie rinnovabili, come idroelettrica, solare o fotovoltaica. Ha un bassissimo impatto ambientale e genera zero emissioni di CO2. Nei prossimi anni si prevede una sua maggiore diffusione, quando il costo diventerà competitivo e il suo utilizzo sarà economicamente sostenibile.

La produzione dell’idrogeno si basa sulla rottura del legame tra l’atomo di idrogeno e quello dell’ossigeno della molecola d’acqua (H2O).

Per rompere questo legame e accumulare idrogeno è necessaria dell’energia. Questa è alimentata da fonti rinnovabili o da combustibili fossili. Se la cella elettrolitica è posta in prossimità di un impianto da fonti rinnovabili, parte della produzione di elettricità, per esempio quella in eccesso rispetto alla capacità di trasporto della rete, può essere impiegata per alimentarla. In questo modo l’idrogeno prodotto svolge la funzione di uno "stoccaggio" chimico, che può essere utilizzato successivamente, quando serve, come materia prima nel processo di produzione dell’acciaio o come combustibile per fornire calore ad alta temperatura. 

La comunità scientifica e tecnologica è impegnata da tempo per rendere l’idrogeno verde più facile da produrre e più economico.

Le possibili destinazioni finali dell’idrogeno, in particolare dell’idrogeno verde, sono:

• nell’industria chimica e nella raffineria di petrolio come materia prima, in sostituzione dell’idrogeno grigio;
• nelle industrie dove è necessario il calore ad alta temperatura, come il cemento, acciaio, vetro in sostituzione dei combustibili fossili ad oggi utilizzati;
• come carburante per i veicoli commerciali;
• per la produzione di energia elettrica.

Abbiamo già parlato del biometano, dei suoi vantaggi e delle regole per l’immissione in rete.
Facciamo ora chiarezza sui vantaggi e limiti nell’utilizzo dell’idrogeno nella rete domestica.

L’idrogeno è adatto a essere trasportato nei gasdotti esistenti e ad essere miscelato con il biometano. Gli utilizzi più diffusi sono nei settori:

• siderurgico;
• aviazione;
• marittimo.

Il biometano e l’idrogeno rappresentano le fonti energetiche rinnovabili per l’evoluzione energetica europea.

L’idrogeno è:

• il carburante con la maggiore densità energetica: 1 Kg contiene la stessa energia di 2,4 Kg di metano o di 2,8 Kg di benzina;
• facile da stoccare e trasportare sfruttando le infrastrutture esistenti;
• zero emissioni di CO2.

In Europa, i vantaggi derivanti dall’utilizzo dell’idrogeno saranno tangibili entro il 2050 e impatteranno positivamente sul mercato del lavoro, l’economia in generale e, soprattutto, il pianeta. Nel prossimo futuro potrà essere utilizzato per la nostra mobilità, per riscaldare gli ambienti e le case e, ovviamente, anche per fini industriali.

Attualmente esistono diversi ostacoli che rallentano lo sviluppo dell’idrogeno come:

• l’alto costo dovuto alla sua produzione, alla gestione e al trasporto;
• il lento processo relativo all’aggiornamento delle normative. 

In Europa si sta lavorando su diversi progetti per utilizzare l’idrogeno anche nella rete domestica. Da qui è possibile monitorare online l’evoluzione dei progetti attivi non solo in Europa ma in tutto il mondo, definiti Hydrogen Valleys.

Ma cos’è l’Hydrogen Valley?

L’Hydrogen Valley è un incubatore e un acceleratore di progetti innovativi riguardanti l’idrogeno e le tecnologie per il suo sviluppo. È essenzialmente un progetto (di solito finanziato da fondi locali, nazionali e internazionali) che raggruppa diverse iniziative industriali e di ricerca per realizzare progetti pilota lungo l'intera catena del valore dell'idrogeno (produzione, trasporto, distribuzione e uso finale con stoccaggio).

Conosciamo più nel dettaglio alcuni di questi progetti.

Il Regno Unito è il paese in cui le sperimentazioni sul campo sono ad uno stato più avanzato. Nell'ottobre 2019, dopo una fase di studio preliminare, nella rete del Campus Universitario di Keele è stata immessa una miscela gas naturale-idrogeno, con concentrazione crescente sino al 20% di idrogeno.

Il test, concluso positivamente ad aprile 2021, è stato effettuato su una rete di distribuzione del gas moderna con tubazioni in polipropilene e ha coinvolto oltre 100 edifici residenziali e 30 universitari.

Sono stati da subito coinvolti i produttori di caldaie con apparecchi installati nell'area di test realizzando una centrale termica dimostrativa per monitorare costantemente i parametri.

A settembre 2020 è stata installata e messa in servizio la prima caldaia domestica a 100% idrogeno in una casa dimostrativa a Spadeadam, all’interno del progetto H2.
In definitiva, il Regno Unito ha dimostrato con successo che le miscele di gas naturale-idrogeno possono essere tranquillamente distribuite e utilizzate all'interno delle reti del gas esistenti in assoluta sicurezza per gli utenti finali.

Un altro progetto interessante è un corridoio dell’idrogeno “verde” che collegherà la Penisola iberica alla Francia grazie al progetto "H2Med". L’ambizioso progetto di interconnessione che collegherà Portogallo, Spagna e Francia, sarà operativo nel 2030 e avrà la capacità di trasportare fino a due milioni di tonnellate di idrogeno pulito entro il 2030, pari a circa il 10 per cento dei consumi a livello europeo.

Con i contributi del PNRR, anche in Italia sono partiti dei protocolli per la realizzazione delle Hydrogen Valley. Questi progetti sono improntati a creare delle vere e proprie filiere dell’idrogeno combinando produzione, infrastruttura e utilizzo in un unico luogo.
Cinque le regioni interessate nelle prime fasi dell’attuazione di questo punto del PNRR:

• Piemonte
• Friuli-Venezia-Giulia
• Umbria
• Basilicata
• Puglia

Puglia

Il Green Hydrogen Valley in Puglia, tra Brindisi, Taranto e Cerignola, prevede che sorgeranno tre impianti di produzione di idrogeno verde per una capacità complessiva di 220 MW, alimentati dal fotovoltaico, che permetterà di creare ogni anno fino a 300 milioni di metri cubi di energia rinnovabile. L’idrogeno prodotto sarà destinato all’industria anche attraverso l’iniezione del combustibile nella rete gas locale di Snam e potrà essere impiegato per la mobilità sostenibile.

Friuli Venezia Giulia

In Friuli Venezia Giulia, grazie ad una partnership con Croazia e Slovenia, è partito il progetto per la realizzazione dell’Hydrogen Valley dell’Adriatico. La collaborazione non solo contribuirà alla transizione verso un ecosistema integrato che coinvolga i settori dell’energia, dell’industria e dei trasporti, ma permetterà anche di cooperare su ricerca e innovazione, per lo sviluppo di nuove soluzioni come la costruzione di stazioni per il rifornimento e il trasporto di idrogeno.

Lombardia

La Regione Lombardia ha recentemente dato il via al progetto H2iseO, destinando 75,5 milioni di euro per l’attivazione del servizio ferroviario alimentato ad idrogeno. Con questo progetto, verrà costruita la prima linea ferroviaria ad idrogeno in Italia e avrà luogo nella tratta Brescia-Iseo-Edolo. I treni utilizzeranno la fuel cell, una particolare tecnologia capace di produrre luce e energia elettrica a partire dall’idrogeno.

Emilia Romagna

Negli ultimi mesi, a Castelfranco Emilia (MO), è iniziata la prima sperimentazione nazionale per l’utilizzo dell’idrogeno in una rete di distribuzione gas cittadina: una miscela di metano e idrogeno è stata immessa in una porzione dell’infrastruttura gas della città emiliana gestita da Inrete Distribuzione Energia, la società del Gruppo Hera che svolge l’attività di distribuzione del gas naturale e dell’energia elettrica.

Esistono altri progetti in fase di realizzazione, che vanno dalla distribuzione di gas combustibili (metano) prodotti da fonte rinnovabile alla distribuzione di miscele Idrogeno-Gas Naturale, alla fornitura diretta di Idrogeno puro a utilizzatori “hard to abate” o uso autotrazione.

Il nostro laboratorio, grazie al suo know-how e agli investimenti nel settore della rinoanalisi, ha preso parte alla realizzazione di test sperimentali preliminari di odorizzabilità sulla miscela di biometano-idrogeno per il progetto di Castelfranco Emilia. Ha eseguito delle prove su campioni di miscele CH4-H2 a diverse concentrazioni, con ottimi risultati.

LOD continua a dare il suo contributo nel settore della ricerca e a consolidare le conoscenze nel mondo dei gas combustibili ad uso domestico partecipando ai gruppi di lavoro e partecipando attivamente alla redazione di normative europee e nazionali che sono in costante aggiornamento.