Quanto Energia Rinnovabile è Necessaria per la Produzione di Idrogeno Verde?

Il calcolo della quantità di energia rinnovabile disponibile in una specifica località e l'efficienza del processo di produzione dell'idrogeno sono fattori cruciali per la realizzazione di un sistema di produzione di idrogeno verde. Questo processo si articola in diversi passaggi fondamentali, che vanno dalla determinazione delle risorse energetiche rinnovabili fino alla valutazione delle capacità del sistema elettrolizzatore.

In primo luogo, è necessario determinare le risorse energetiche rinnovabili disponibili nel sito di interesse. La quantità di energia rinnovabile dipende dal tipo di risorsa (ad esempio, solare o eolico) e dalle condizioni climatiche locali, come la radiazione solare o la velocità del vento. È possibile stimare questa quantità attraverso l'analisi dei dati storici o utilizzando software specifici che tengano conto delle condizioni meteorologiche del sito, come PVsyst, SAM e PVgis.

Una volta stabilito il potenziale energetico rinnovabile, il passo successivo è calcolare quanta energia può essere effettivamente utilizzata per la produzione di idrogeno. Questo calcolo dipende dall'efficienza dell'elettrolizzatore, che in genere varia tra il 60% e l'80%. Per stimare la produzione mensile di idrogeno, è sufficiente moltiplicare la produzione giornaliera per il numero di giorni del mese, e lo stesso vale per la produzione annuale.

La potenza necessaria per la produzione di idrogeno può essere calcolata con l’equazione generale:

dove:

• $V_e$ è la tensione in ingresso,

• $I_e$ è la corrente in ingresso.

La massa di idrogeno prodotta, $m_{H2}$, utilizzando la potenza calcolata $P_e$, si ottiene attraverso la seguente equazione:

dove:

• $\eta_e$ è l’efficienza dell’elettrolizzatore,

• $HVP$ è il valore calorifico dell'energia elettrica fornita all'elettrolizzatore,

• $HVH2$ è il valore calorifico dell’idrogeno.

L'energia necessaria per produrre 1 kg di idrogeno dipende anche dal tipo di acqua utilizzata: se l’idrogeno è prodotto tramite elettrolisi dell’acqua liquida, l'energia necessaria è di circa 39 kWh/kg, mentre se si utilizza vapore, la quantità di energia si riduce a circa 33 kWh/kg.

Un altro aspetto fondamentale riguarda la progettazione e la dimensionamento del sistema di energia rinnovabile e dell'elettrolizzatore. I progettisti di sistemi per l’idrogeno verde devono considerare attentamente tutte le fasi di progettazione del sistema, dalla scelta della fonte di energia rinnovabile (fotovoltaico o eolico) fino al dimensionamento dell'elettrolizzatore e del compressore. Questo approccio richiede una conoscenza approfondita dei dati di irraggiamento solare e della velocità del vento in loco, così come una valutazione precisa dell'efficienza dell'elettrolizzatore.

Nella pratica, la dimensione effettiva del sistema fotovoltaico potrebbe variare a seconda di vari fattori, come la temperatura e l'irraggiamento solare specifico della località. In alcuni casi, potrebbe essere necessario dimensionare il sistema con una capacità maggiore rispetto a quella teorica per garantire una produzione di idrogeno continua. L’intermittenza dell’energia eolica rappresenta una sfida aggiuntiva, poiché la capacità del sistema eolico potrebbe non essere sempre sufficiente a garantire una produzione costante di idrogeno.

In conclusione, il processo di calcolo dell’energia rinnovabile necessaria per produrre idrogeno verde richiede una comprensione dettagliata dei sistemi energetici rinnovabili e delle efficienze degli elettrolizzatori, nonché una pianificazione accurata per garantire una produzione ottimale di idrogeno in base alle risorse naturali disponibili. La capacità di prevedere correttamente queste variabili e di dimensionare adeguatamente i sistemi è cruciale per il successo di un impianto di idrogeno verde.

L'ammoniaca come fonte di idrogeno: Elettrolisi e decomposizione termica

L'ammoniaca può essere scissa in idrogeno e azoto mediante elettrolisi, come illustrato nella Figura 4.6, e decomposizione termica, rappresentata nella Figura 4.7. Questa caratteristica rende l'ammoniaca una delle opzioni più convenienti per il trasporto dell'idrogeno, soprattutto nelle tecniche di consegna tramite spedizione. L'elettrolisi dell'ammoniaca viene realizzata facendo passare una corrente elettrica attraverso una soluzione acquosa contenente ammoniaca, per produrre gas di idrogeno e azoto. Come nell'elettrolisi dell'acqua, un elettrolizzatore di ammoniaca è composto dagli stessi elementi: una fonte di energia, un catodo e un anodo. La tensione esterna teorica necessaria per l'elettrolisi dell'ammoniaca è di 0,06 V, significativamente inferiore alla tensione esterna richiesta per l'elettrolisi dell'acqua, che è pari a 1,23 V. Pertanto, l'elettrolisi dell'ammoniaca non è un processo ad alta intensità energetica. L'efficienza dell'elettrolisi dell'ammoniaca varia tra il 65% e l'85%, con aspettative di miglioramento grazie agli investimenti futuri nel settore dell'idrogeno verde.

La decomposizione termica è il metodo più comune per produrre idrogeno e azoto dall'ammoniaca. Questo processo si basa sull'aumento della temperatura dell'ammoniaca fino a 400°C a pressione atmosferica. Per ridurre l'energia di attivazione dell'ammoniaca, è necessario utilizzare un catalizzatore composto da ferro, nichel, platino e rutenio. L'efficienza della decomposizione dell'ammoniaca supera generalmente il 90%. L'efficienza di decomposizione è data dalla seguente equazione:

Dove $\eta_d$ rappresenta l'efficienza di decomposizione, $n_{\text{prodotto}}$ è il numero di moli prodotte al secondo dalla decomposizione dell'ammoniaca, e $n_{\text{NH3, alimentato}}$ è il numero di moli di ammoniaca alimentate al secondo. La quantità di ammoniaca non decomposata può essere calcolata con la seguente relazione:

Ricordando la stechiometria della reazione di produzione dell'ammoniaca, la relazione che ne risulta è:

A seguito di questi calcoli, si trova che il tasso di produzione di idrogeno e azoto può essere espresso come segue:

L'ammoniaca ha molteplici applicazioni. Può essere utilizzata nei motori a combustione interna e nelle celle a combustibile. Quando utilizzata in un motore a combustione interna, l'efficienza del processo di conversione energetica varia tra il 25% e il 36%. I benefici derivanti dall'utilizzo dell'ammoniaca come combustibile verde nei motori a combustione interna includono la riduzione delle emissioni legate al trasporto, poiché l'ammoniaca è un combustibile privo di carbonio che può essere sintetizzato con emissioni minime di sostanze dannose. Inoltre, l'ammoniaca può essere utilizzata in vari motori a combustione interna, inclusi quelli a accensione a scintilla e a compressione.

L'ammoniaca è anche utilizzata nella produzione di plastiche, fibre, esplosivi, tessuti, pesticidi, coloranti e, soprattutto, fertilizzanti. Come già menzionato, l'80% dell'ammoniaca prodotta a livello mondiale è utilizzata nella produzione di fertilizzanti. Per la produzione di fertilizzanti, l'ammoniaca può essere impiegata nella sua forma pura o sotto forma di acido nitrico, nitrato di ammonio o urea. I fertilizzanti principali che dipendono direttamente o indirettamente dall'ammoniaca sono ampiamente utilizzati in agricoltura.

In sintesi, comprendere il ruolo dell'ammoniaca all'interno della catena di approvvigionamento dell'idrogeno è uno degli aspetti più cruciali dell'idrogeno verde e del Power-to-X. La sua versatilità, unita alla sua capacità di essere una fonte di idrogeno e azoto, rappresenta una risorsa chiave per le tecnologie energetiche future.

Come l'Intelligenza Artificiale Può Riprogettare la Filiera dell'Idrogeno

L'idrogeno rappresenta una delle soluzioni più promettenti nel contesto della transizione energetica, in particolare come vettore di energia pulita e versatile. Le tecnologie come l'idrogeno verde e il Power-to-X (PtX) mirano a ridurre l'impatto ambientale in numerosi settori, tra cui l'industria pesante, i trasporti e la generazione di energia. In un mondo sempre più focalizzato sulla sostenibilità, l'integrazione dell'intelligenza artificiale (IA) nelle diverse fasi della filiera dell'idrogeno può amplificare ulteriormente i benefici, migliorando l'efficienza e la sicurezza, oltre a ottimizzare la gestione e la produzione.

Nel contesto del trasporto e dello stoccaggio dell'idrogeno, l'IA gioca un ruolo cruciale nell'ottimizzazione delle reti di distribuzione. La complessità dei sistemi di stoccaggio e delle infrastrutture di trasporto richiede un monitoraggio costante delle condizioni di sicurezza e operatività. L'intelligenza artificiale è in grado di prevedere guasti, ottimizzare le rotte di trasporto e garantire la sicurezza dei sistemi, riducendo i rischi associati alla gestione di un combustibile così delicato come l'idrogeno. Inoltre, gli algoritmi di machine learning possono migliorare l'efficienza del trasporto dell'idrogeno, identificando i percorsi migliori e minimizzando le perdite durante il trasporto.

Per quanto riguarda la sicurezza, l'intelligenza artificiale fornisce un ulteriore strumento di protezione, grazie a sistemi avanzati di sorveglianza e di gestione dei rischi. L'idrogeno, essendo altamente infiammabile, comporta rischi significativi durante tutte le fasi della sua filiera, dalla produzione allo stoccaggio, fino al suo utilizzo. I sistemi basati su IA possono rilevare anomalie nei parametri operativi e intervenire in tempo reale per prevenire incidenti. Sensori intelligenti e modelli predittivi possono monitorare costantemente l'integrità delle infrastrutture, riducendo la probabilità di guasti catastrofici.

L'intelligenza artificiale, infine, è fondamentale nel sostenere l'economia dell'idrogeno, contribuendo a rendere i costi di produzione più competitivi. L'ottimizzazione delle risorse e dei processi operativi attraverso l'IA abbassa il costo per unità di idrogeno prodotto, rendendo più accessibile questa tecnologia alle industrie. A sua volta, una filiera dell'idrogeno più economica e sicura può accelerare la diffusione su larga scala di soluzioni a idrogeno, incentivando l'adozione da parte di una varietà di settori, dal trasporto pubblico ai grandi impianti industriali.

L'integrazione dell'intelligenza artificiale con l'idrogeno rappresenta, quindi, una sinergia vincente per il futuro energetico globale. Se da un lato l'IA offre soluzioni per migliorare ogni fase della filiera, dall'altro l'idrogeno si propone come una delle risposte più efficaci alle sfide legate alla sostenibilità e alla decarbonizzazione. Insieme, questi due elementi possono aprire la strada a un sistema energetico più pulito, sicuro ed efficiente.

Accanto a quanto scritto, è essenziale ricordare che la tecnologia, per quanto avanzata, non è una panacea e non può risolvere tutti i problemi da sola. La transizione verso un sistema energetico sostenibile richiede anche il cambiamento delle politiche globali, una maggiore collaborazione internazionale e un impegno continuo nell'educazione e nella formazione dei professionisti del settore. La tecnologia non può sostituire la volontà politica, ma può certamente accelerare il processo, rendendo più efficaci gli sforzi in atto.

Come l'idrogeno verde può decarbonizzare il settore dei trasporti e dell'industria pesante

L'idrogeno sta rapidamente emergendo come una delle soluzioni più promettenti per decarbonizzare vari settori industriali e dei trasporti, grazie alle sue capacità di ridurre le emissioni di CO2 quando viene prodotto da fonti rinnovabili. Sebbene la maggior parte delle discussioni sull'idrogeno si concentri sulle sue applicazioni nel settore energetico, è altrettanto fondamentale esplorare il suo ruolo crescente nei trasporti e nelle industrie pesanti, che sono tra i maggiori responsabili delle emissioni globali di gas serra.

Nel settore dei trasporti, l’idrogeno offre un’alternativa concreta ai combustibili fossili. Le autovetture alimentate a idrogeno (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicles) sono una delle applicazioni più visibili. Rispetto ai veicoli convenzionali a motore a combustione interna, le FCEV sono significativamente più efficienti e non emettono gas serra durante il loro funzionamento. Un singolo veicolo a idrogeno con una piena carica di combustibile può percorrere fino a 480 km, offrendo un’autonomia comparabile a quella dei veicoli tradizionali a benzina o diesel. Sebbene il costo della tecnologia delle celle a combustibile e l’infrastruttura di rifornimento siano ancora limitati, il risparmio di CO2 nel ciclo di vita di una FCEV è sostanziale, con un potenziale risparmio di 50 tonnellate di CO2 per veicolo. La transizione verso i veicoli a idrogeno è particolarmente promettente anche per i trasporti a lunga distanza, dove la capacità di carico e l'autonomia sono cruciali.

Nel settore navale, l'idrogeno e i suoi derivati, come l’ammoniaca verde, offrono soluzioni scalabili per ridurre le emissioni delle navi mercantili. L’ammoniaca, prodotta da idrogeno verde, ha una densità energetica superiore rispetto all’idrogeno stesso, ed è anche più facile da immagazzinare, rendendola un'alternativa ideale per il trasporto marittimo a lunga distanza. Grandi aziende di navigazione, come Maersk, stanno investendo in navi alimentate a ammoniaca, con la prima flotta commerciale prevista per il 2030. Sebbene l’ammoniaca possa contribuire significativamente alla decarbonizzazione, permangono sfide legate alle emissioni di NOₓ derivanti dalla sua combustione e alla creazione di infrastrutture di rifornimento.

L'industria pesante, in particolare i settori della produzione di acciaio, cemento, prodotti chimici e raffinazione del petrolio, è una delle principali fonti di emissioni globali. Questi settori dipendono fortemente dai combustibili fossili e sono responsabili di una parte significativa delle emissioni di CO₂ globali. L’acciaio, ad esempio, da solo emette circa 3,7 miliardi di tonnellate di CO₂ ogni anno, contribuendo al 7-9% delle emissioni globali di gas serra. L'idrogeno verde può giocare un ruolo cruciale in questi settori, dove può sostituire parzialmente o totalmente i combustibili fossili utilizzati nei processi produttivi. In particolare, la produzione di acciaio tramite idrogeno potrebbe ridurre drasticamente le emissioni legate alla siderurgia, rendendo possibile un’industria siderurgica più sostenibile.

Nel settore della raffinazione del petrolio, l'idrogeno è utilizzato per processi come l'idrotrattamento e l’idrocracking, che sono fondamentali per la rimozione di impurità come zolfo, azoto e metalli dai combustibili. Attualmente, la raffinazione del petrolio dipende largamente dall’idrogeno "grigio", prodotto a partire da fonti fossili, il che contribuisce significativamente alle emissioni di CO₂. Con l’introduzione di idrogeno verde, le raffinerie potrebbero ridurre la loro impronta di carbonio, supportando la transizione verso combustibili più puliti.

In sintesi, l’idrogeno verde e le sue applicazioni potrebbero essere determinanti per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione nei trasporti e nelle industrie pesanti. Nonostante le sfide tecnologiche, come l’efficienza dell’immagazzinamento dell’idrogeno e la necessità di infrastrutture di rifornimento, i progressi nella ricerca e nello sviluppo, uniti al supporto politico, potrebbero accelerare la diffusione di queste tecnologie. La crescita dell’industria dell’idrogeno è quindi un passo fondamentale per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e per costruire un futuro energetico più sostenibile e resiliente.

Quali sono i rischi e le misure di sicurezza nell'uso dell'idrogeno?

L'idrogeno è una risorsa fondamentale per il futuro della sostenibilità energetica e delle applicazioni industriali, ma la sua gestione presenta sfide significative in termini di sicurezza. Essendo un gas altamente infiammabile, è necessario adottare misure rigorose per garantire che la sua produzione, stoccaggio e utilizzo non comportino rischi per la salute umana, l'ambiente e le strutture industriali. I principali rischi associati all’idrogeno derivano da aspetti fisiologici, fisici e chimici, che devono essere analizzati con attenzione per evitare incidenti e per garantire una gestione sicura della tecnologia.

Uno dei rischi principali riguarda il suo stoccaggio, che avviene in serbatoi ad alta pressione, criogenici o criocompressi. Se questi contenitori si rompono o falliscono, può verificarsi una fuoriuscita di gas, con conseguenti pericoli di incendio e asfissia. L’idrogeno, se immagazzinato in ambienti chiusi, può dislocare l’ossigeno presente, causando un rischio immediato di soffocamento. La ventilazione degli spazi in cui l’idrogeno è usato è quindi fondamentale per prevenire l’accumulo del gas e il rischio di asfissia.

Anche nell’uso dell’idrogeno nei veicoli a celle a combustibile, che sono sempre più comuni nel panorama della mobilità sostenibile, sussistono rischi notevoli. In caso di collisioni, il rilascio di idrogeno dal serbatoio del veicolo potrebbe innescare un incendio. Tuttavia, questi veicoli sono progettati con sistemi di sicurezza avanzati, tra cui valvole di scarico per evitare sovraccarichi eccessivi, che aiutano a prevenire gravi incidenti.

L’evoluzione delle tecnologie ha ridotto significativamente il numero degli incidenti legati all’uso dell’idrogeno, ma la storia ci insegna che la gestione di questo gas richiede costante attenzione. Uno degli incidenti più noti risale al 1937, con il disastro del dirigibile Hindenburg, che si incendiò durante un tentativo di atterraggio negli Stati Uniti, a causa di un probabile mix tra una fuga di gas e le condizioni atmosferiche. Questo evento ha segnato un punto di svolta nella percezione pubblica della sicurezza dell’idrogeno, influenzando negativamente la sua diffusione per molti anni.

Più recentemente, nel 2022, un incidente ha avuto luogo a Towanda, in Pennsylvania, presso la Global Tungsten & Powders Corp, dove un serbatoio di idrogeno è esploso, ferendo cinque lavoratori, ma senza conseguenze gravi. Nonostante l'indagine per chiarire le cause dell’incidente non abbia portato a risultati definitivi, ciò dimostra che l'industria dell'idrogeno deve essere costantemente monitorata per garantire che eventi simili non si ripetano.

Per affrontare questi rischi, è essenziale sviluppare e implementare una normativa rigorosa e standard di sicurezza in ogni fase della filiera dell’idrogeno. Ciò include la progettazione e la gestione di impianti che utilizzano idrogeno, la formazione continua dei lavoratori e l’utilizzo di tecnologie che minimizzano il rischio di fuoriuscite o malfunzionamenti.

Inoltre, nonostante i rischi evidenti, l’adozione di sistemi basati sull’idrogeno per la produzione di energia, la mobilità e l'industria chimica continua a crescere. La sicurezza è una delle preoccupazioni centrali, ma non deve impedire l’adozione di questa risorsa fondamentale per la transizione energetica globale. Le tecnologie di contenimento e gestione dell’idrogeno sono in continua evoluzione, con soluzioni innovative che migliorano la sua sicurezza e l’affidabilità, riducendo significativamente la probabilità di incidenti.

Con l'aumento dell’uso dell’idrogeno in vari settori, l'industria deve essere pronta ad affrontare le sfide legate alla sicurezza e alla gestione delle emergenze, garantendo che gli impianti siano progettati, operati e mantenuti seguendo i più alti standard di sicurezza.