< Previous50 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 50 Membro dell’UE che sta profondendo il maggiore sforzo nella costruzione di stazioni di rifornimento. Partendo da una base di sei stazioni a 350 bar per il rifornimento di autobus e camion, si propone infatti di incrementarne il nume- ro fino a 100 nei prossimi mesi, permettendo a 6 milioni di veicoli (prevalen- temente commerciali) di contare su questa rete. Un fattore critico è proprio la pressione di rifornimento. Infatti, se per un’auto può essere indicato un rifor- nimento di circa 4 kg a 700 bar, i veicoli commerciali, che hanno serbatoi più ampi, possono contare su una buona autonomia incamerando fino a 20 kg di idrogeno a 350 bar. Occorrerà quindi differenziare gli erogatori per adattarli a diversi target, tenendo conto anche delle specificità dei serbatoi, che possono essere di diverse tipologie. Le stazioni di rifornimento tedesche propongono un prezzo di rifornimento pari a €9.50/kg H 2 (lordo). Un FCEV consuma circa 1kg H 2 / 100 km. Per rendere il rifornimento a idrogeno maggiormente com- petitivo, occorrerà attendere il dispiegarsi delle politiche di supporto funzio- nali alla diffusione degli elettrolizzatori e alla produzione di idrogeno verde. Negli ultimi vent’anni, la collaborazione tra partner industriali e mondo della ricerca, supportata dagli stati di appartenenza, ha permesso a queste tecnologie di evolvere, fino all’attuale livello di maturità tecnologica: i FCEVs e l‘infrastruttura di distribuzione dell’idrogeno sono attualmente nei primi sta- di dello sviluppo commerciale (Figura 9). Negli anni 2030, questo mercato si affermerà, raggiungendo un livello di veicoli a idrogeno venduti per anno di qualche decina di migliaia, grazie alla diffusione dell’infrastruttura di riforni- mento in Europa. Alcuni grandi player del settore automotive (Hyundai, Sym- bio/Renault, Toyota), propongono già modelli FCEV; in particolare, Toyota e Hyundai hanno annunciato un incremento nei volumi di produzione fino a 30 mila unità l’anno a partire dal 2020/21 per i modelli Mirai e NEXO. Li seguono a breve distanza Honda e Daimler, mentre si muovono nella stessa direzio- ne Audi, BMW, Jaguar, e PSA. Il mercato vede inoltre grande fermento sulla produzione di camion e treni a idrogeno. Infine, sono veloci i progressi sul comparto aeronautico, che potrebbe trovare nell’idrogeno un’opportunità di decarbonizzazione. 51 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 51 4. Mobilità a idrogeno Figura 9 – FCEV in circolazione nel 2018, (Fonte: IEA 1 ) 4.2. Ambiti applicativi e range di utilizzo Figura 10 – Principali ambiti applicativi dei FCEV (Fonte: IEA) L’idrogeno offre interessanti opportunità di decarbonizzazione a particola- ri categorie del settore trasporti (Figura 10). Così, nella Comunicazione “Una strategia per l’idrogeno per un’Europa climaticamente neutra” la Commissio- ne Europea propone un ruolo per l’idrogeno nei trasporti limitato ai casi in cui l’elettrificazione risulti più problematica. Ne prevede l’integrazione nei tratti della rete ferroviaria che non possono essere elettrificati e negli autoveicoli 1 IEA, The Future of Hydrogen, giugno 2019, p. 12952 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 52 pesanti, per il trasporto di persone e merci su lunghe distanze, auspicando un incremento della maturità e dell’efficienza della tecnologia delle celle a combustibile sotto il profilo dei costi supportato dalla FCHJI e dal program- ma Horizon. I FCEV rappresentano infatti soluzioni complementari, invece che alternative e sostitutive, ai segmenti in cui i veicoli alimentati a propulsione elettrica o a GNC/biocarburanti sono più efficienti. 4.2.1 Heavy Duty Vehicles Per quanto riguarda il trasporto pesante, i camion a lungo raggio saranno sempre più soggetti a prescrizioni normative volte a promuovere la transizione verso sistemi di propulsione sostenibili basati su biocarburanti, biometano, motori elettrici, GNL o idrogeno. Il TCO dei camion a celle a combustibile non è attualmente competitivo rispetto alle alternative a basse emissioni di carbo- nio, ma questa tecnologia è avvantaggiata dall’autonomia, dai brevi tempi di rifornimento e dal trend di decrescita che il costo dei veicoli e il prezzo dell’i- drogeno seguiranno nei prossimi dieci anni. Nel 2014 Autostrada del Brennero ha realizzato il primo progetto integra- to di produzione, stoccaggio e distribuzione di idrogeno verde su territorio italiano. Nell’ambito di questo progetto, la centrale idroelettrica di Cardano, gestita dall’Istituto per Innovazioni Tecnologiche (IIT), produce 180 Nmc all’o- ra, per un totale annuo di oltre 1,5 milioni di normal metri cubi di idrogeno, mentre il distributore situato a Bolzano può rifornire circa 15 autobus ad idro- geno al giorno con autonomia di 200-250 km o fino a 700 autovetture. 4.2.2 TPL L’idrogeno può trovare applicazione nel TPL su gomma e rotaia, nei li- mitati casi in cui l’elettrificazione non sia una soluzione percorribile in termini di costo opportunità. L’alimentazione a idrogeno del TPL non elettrificabile può abilitare sinergie con il sistema energetico e consentirne la decarboniz- zazione. Quasi la metà della rete ferroviaria europea e circa un terzo di quella italiana sono ancora servite da tecnologie diesel. L’elevata età media che caratterizza i convogli diesel italiani ne rende necessaria e imminente la so- stituzione. Sulle tratte di difficile elettrificazione o sulle quali quest’opzione è economicamente poco efficiente, potrebbero entrare in funzione treni a cel- le a idrogeno. Alcuni treni a celle a combustibile possono già competere con il diesel sul piano dei costi e nel prossimo decennio si affermeranno sempre più. In Germania sono già operativi alcuni treni passeggeri a idrogeno, men-53 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 53 4. Mobilità a idrogeno tre Regno Unito e Francia si apprestano a sostituire completamente i treni diesel con quelli a idrogeno entro i prossimi vent’anni sulle tratte difficili da elettrificare. Sulle orme del progetto iLint, realizzato in Bassa Sassonia, la linea ferrovia- ria Brescia-Iseo-Edolo, in Valcamonica, si candida a essere la prima alimentata a idrogeno nel nostro Paese. Questa tratta è ancora completamente diesel ed è lunga un centinaio di chilometri: elettrificarla costerebbe circa 2 milioni a chilometro. Con il progetto H 2 iseO, promosso da FNM in collaborazione con Trenord, saranno attivati sei locomotori Alstom ad idrogeno entro il 2023 e altri otto entro il 2026, sostituendo completamente la vecchia flotta diesel. Successivamente, entro il 2025, il progetto coinvolgerà anche il TPL, con cir- ca 40 mezzi a idrogeno in Valcamonica, e, con buona probabilità, la logistica merci. Il costo dei nuovi convogli sarà di 160 milioni di Euro, già inclusi nei fondi stanziati da Regione Lombardia per rinnovare l’intera flotta ferroviaria di Trenord. Per l’approvvigionamento di idrogeno verrà realizzato un primo impianto a metano e biometano (con cattura e stoccaggio della CO 2 prodotta) nell’area depositi della stazione di Iseo, con il contributo di A2A. Tale impianto sarà sufficiente a coprire il fabbisogno di 800 kg di idrogeno al giorno nella prima fase, ma a regime ne occorreranno 2 mila kg al giorno. Per questo dal 2023 verrà affiancata la produzione di idrogeno green da elettrolisi, grazie al contributo di Enel Green Power. 4.2.3 Trasporti marittimi Nei trasporti marittimi a corto raggio e sulle vie navigabili interne l’idroge- no può affermarsi come carburante alternativo a basse emissioni, soprattutto considerato che il Green Deal insiste sull’importanza di fissare un prezzo anche per le emissioni di CO 2 di questo settore. Anche la necessità di decarbonizzare i trasporti marittimi a più lungo rag- gio e d’alto mare si farà sempre più pressante, richiedendo lo sviluppo di nuovi combustibili, nuove infrastrutture di distribuzione e nuovi sistemi di pro- pulsione. Bisognerà aumentare la potenza delle celle a combustibile da uno a più megawatt e usare l’idrogeno rinnovabile per produrre carburanti sintetici, metanolo o ammoniaca, con una maggiore densità energetica. A oggi il più promettente combustibili alternativo al bunker sembra essere proprio l’ammo- niaca, che presenta il vantaggio di essere liquida in condizioni di temperatura e pressione non troppo critiche (praticamente a temperatura ambiente e 8 at- mosfere) e più densa dell’idrogeno - quindi a parità di peso eroga più energia. 54 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 54 4.2.4 Aviazione Sul medio termine si valuta la possibilità di decarbonizzare il settore dell’a- viazione attraverso l’integrazione di cherosene sintetico liquido, come e-fuel sostitutivo “drop in” prodotto a partire da idrogeno rinnovabile. Nel bilancio complessivo, si considera da un lato la compatibilità con le tecnologie aero- nautiche esistenti, dall’altro l’efficienza energetica del processo di produzione del feedstock e della successiva sintesi dell’e-fuel. Nel lungo periodo il settore dell’aviazione potrebbe contemplare anche le celle a combustibile a idrogeno, che imporrebbero una diversa progettazione degli aeromobili, oppure motori a reazione a idrogeno (es. Airbus ZEROe). Af- finché queste ipotesi diventino realtà bisognerà definire una tabella di marcia per i notevoli sforzi di ricerca e innovazione necessari a lungo termine, anche nell’ambito di Horizon Europe e FCJI e delle possibili iniziative sotto l’egida dell’European Clean Hydrogen Alliance. 4.2.5 Intralogistica La standardizzazione e la dimensione delle batterie dei carrelli levatori elettrici permette con poche modifiche la trasformazione a FC. La velocità di rifornimento e l’autonomia potrebbe permetterne l’uso in impegni più gra- vosi, diventando un’alternativa anche ai motori a combustione interna. Sono già state fatte alcune esperienze, ma dati i costi infrastrutturali collegati, sono interessanti laddove sia richiesto un congruo numero di carrelli e/o dove sia già a disposizione l’idrogeno e/o l’infrastruttura di ricarica. (cfr. Appendice: La mobilità sostenibile nel settore dell’intralogistica). 4.3. Punti di forza e benefici per il sistema della mobilità a idrogeno 4.3.1 Aspetti tecnologici Dal punto di vista tecnologico, i FCEV presentano diversi punti di forza in grado di renderli delle soluzioni estremamente valide per gli ambiti hard-to-a- bate e difficilmente elettrificabili del settore trasporti, quali il trasporto me- dio/pesante a lungo raggio (LDV/HDV) e in quello ferroviario. Innanzitutto, i tempi di ricarica di una fuel cell sono molto più rapidi, di circa 10/15 volte, delle ricariche elettriche ultra-fast (“pieno” per 400/500 km in 3/5 minuti nel caso di stazioni di rifornimento capaci di erogare idrogeno a 700 bar) e sono simili a quelli di un veicolo a GNL. Un vantaggio ulteriore derivante dai tempi di rifornimento più rapidi è il minore spazio richiesto per realizzare un punto 55 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 55 4. Mobilità a idrogeno di rifornimento di idrogeno rispetto a un’infrastruttura di ricarica elettrica. In quest’ultima, visti i tempi più lunghi per una ricarica completa del veicolo, lo spazio necessario per garantire la permanenza dei veicoli in ricarica deve esse- re inevitabilmente maggiore (Figura 11). Figura 11 – Variabili chiave del rifornimento di un FCEV (Fonte: Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking 2 ) Un secondo punto di forza a favore dei FCEV è la possibilità di garantire range di utilizzo paragonabili a quelli dei veicoli a combustione interna, andan- do quindi a risolvere il problema della range anxiety che al momento interessa i possessori di veicoli a propulsione elettrica. Tutti questi elementi combinati rendono FCEV una soluzione molto efficiente ed efficace per il trasporto me- dio/pesante su lunghe gittate. Ultimo fattore, ma non meno importante, è che l’idrogeno può essere prodotto da diverse fonti energetiche e utilizzando molteplici processi chimici e fisici, ognuno dei quali con livelli diversi di inquinamento e quindi di impatto sull’ambiente (da cui la classificazione a colori dell’idrogeno) (Figura 12). Que- sto lascia agli Stati membri e agli operatori un’ampia gamma di soluzioni tra cui scegliere, sebbene nell’ottica di una decarbonizzazione del settore sia im- 2 Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, Hydrogen Roadmap Europe, gennaio 2019, p. 27 56 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 56 portante prediligere per tecnologie il più sostenibili e meno inquinanti. La fon- te energetica e il processo utilizzato per la produzione dell’idrogeno, infatti, influiranno considerevolmente sulle emissioni totali prodotte dal FCEV nel suo intero ciclo vita e quindi sulla sua sostenibilità complessiva. Con il processo di elettrolisi tramite elettricità da FER o da bioenergie, il cd. idrogeno “verde”, un FCEV potrebbe potenzialmente avere una carbon footprint neutra, se non, come evidenziato nel successivo paragrafo, negativa. Altrettanto promettente potrebbe essere la produzione di idrogeno rinnovabile tramite il processo di steam reforming del biogas/biometano. Figura 12 – Classificazione delle tipologie di idrogeno sulla base della fonte energetica e del processo utilizzato (Fonte: Politecnico di Milano 3 ) 4.3.2 Emissioni zero o “negative” L’utilizzo dell’idrogeno nel settore trasporti consente numerosi benefici anche dal punto di vista ambientale. I FCEV, infatti, non producono emissioni né di CO 2 che di altri inquinanti (NO X , SO X ) pericolosi per la salute, ma, al con- trario, seppure in misura ridotta purificano l’aria aspirata per il funzionamen- to del veicolo. Alcuni modelli di auto già presenti sul mercato (Toyota Mirai, Hyundai Hexo) dispongono di filtri in grado di purificare l’aria aspirata dal veicolo bloccando un’alta percentuale di inquinanti e polveri sottili. Stimando un carico di 35 kg di idrogeno in un mezzo pesante e un sistema a fuel cell che operi con rapporto aria/combustibile tipico di circa 70 kg di aria per kg di idrogeno, nel consumare un pieno verrebbero purificati circa 2 mila m 3 di aria. Prendendo invece come riferimento la percorrenza annua di tale mezzo (circa 100 mila km) la quantità di aria purificata i 430 mila m 3 4 . Questa particolarità 3 Politecnico di Milano, Hydrogen Innovation Report – Key messages 4 H2IT, Mobilità Idrogeno italia, novembre 2019, p. 2257 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 57 4. Mobilità a idrogeno rende quindi i veicoli a fuel cell non più “solo” a emissioni zero, ma addirittura a emissioni “negative”. 4.3.3 Vantaggi per il sistema elettrico In aggiunta ai benefici sociali e ambientali, l’idrogeno e la sua produzione tramite elettrolizzatori è capace di apportare benefici importanti anche al siste- ma elettrico, in quanto può essere sfruttato per fornire servizi di bilanciamento alla rete e favorire l’integrazione delle risorse FER difficilmente collegabili alle reti di trasporto o di distribuzione. In uno scenario di medio-lungo termine caratterizzato da elevata pene- trazione FERNP, l’idrogeno rappresenta un’opzione valida per lo stoccaggio di energia. L’idrogeno prodotto tramite elettrolisi può essere stoccato in bom- bole o depositi per periodi di tempo medio-lunghi per poi essere riconvertito, per il tramite di fuel cell, in energia elettrica. Così facendo l’idrogeno può essere impiegato a fini di peak shaving nei momenti caratterizzati da una forte sovrapproduzione degli impianti FER, costituendo un’ulteriore risorsa per la flessibilità e il bilanciamento del sistema. Come accennato in precedenza, l’idrogeno come accumulatore di elet- tricità può essere impiegato per abilitare l’integrazione “indiretta” nella rete elettrica degli impianti di produzione a FER situati in zone dove non è presente capacità di trasmissione oppure dove non è conveniente realizzarla (Figura 13). Figura 13 – Elementi di un sistema di storage a H 258 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 58 Lo storage dell’idrogeno può essere “fisico” (stoccaggio delle molecole di idrogeno tramite compressione e liquefazione) o chimico (sotto forma di idruri). Tra i due approcci, lo storage chimico è quello più performante, mentre gli idruri, nonostante abbiano una buona densità di energia per unità volume- trica, richiedono l’impiego di molta energia per rilasciare idrogeno. Infine, ci sono altre due applicazioni possibili con cui l’idrogeno può for- nire benefici per tutto il sistema: l’impiego degli elettrolizzatori per la produ- zione di idrogeno on-site presso impianti termoelettrici, con l’elettricità fornita dagli impianti stessi, da utilizzare come agente refrigerante per i generatori, essendo una soluzione molto più economica dell’acquisto e dello stoccaggio di idrogeno prodotto altrove; la produzione di ammoniaca per un successivo impiego come fertilizzante che però per essere economicamente conveniente dovrebbe avvenire a un costo minore dell’idrogeno prodotto con processo di reforming. 4.4. Principali ostacoli alla diffusione Nonostante l’impiego come vettore energetico sia una soluzione molto promettente per il percorso di decarbonizzazione del settore trasporti, allo stato attuale l’idrogeno si trova di fronte diversi ostacoli legati principalmente a una filiera industriale ancora poco sviluppata e a prezzi di produzione molto elevati. Il problema del costo elevato dell’idrogeno deriva dalla sua scarsa, e fi- nora onerosa e poco sostenibile, produzione: nel 2019 la IEA stima che su scala globale sono state prodotte 70 Mton di idrogeno consumando 275 Mtoe di energia, il 2% della domanda primaria globale di energia 5 . Circa due terzi dell’idrogeno è stato prodotto con processi di reforming utilizzando gas natu- rale e quindi con impatti considerevoli in termini di emissioni di CO 2 . L’idrogeno rinnovabile prodotto tramite elettrolizzatori con l’utilizzo di elettricità proveniente da impianti FER è la soluzione a più basso impatto emissivo tra le varie tipologie di idrogeno prima elencate, ma a oggi è anco- ra lontana dall’essere economicamente sostenibile. Sempre secondo le stime IEA, rispetto al totale di 70 Mton, la quota di idrogeno verde prodotto con elettrolizzatori alimentati con elettricità proveniente da FER è solamente del- lo 0,1%. Considerati gli attuali valori di efficienza degli elettrolizzatori (tra il 60 e l’80 %, sulla base della tecnologia e del fattore di carico impiegato), la 5 IEA, The Future of Hydrogen, giugno 2019, p. 3859 I VETTORI ENERGETICI PER LA MOBILITÀ SOSTENIBILE. STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE DI IMPIEGO 59 4. Mobilità a idrogeno produzione di 70 Mton di idrogeno verde richiederebbe 3,6 PWh (più dell’in- tera produzione di elettricità dell’UE per il 2019) e 617 mln m 3 di acqua. Dal punto di vista dell’efficienza energetica, con particolare riferimento ai veicoli “leggeri”, ricordiamo che l’idrogeno prodotto con l’elettricità deve comunque scontare una perdita di efficienza legata al processo di conversione energetica (da elettricità ad idrogeno), al suo stoccaggio, al rifornimento del veicolo (con il relativo processo di compressione) e infine alla riconversione energetica (da idrogeno ad elettricità).Infatti considerando l’intero processo di produzione e di impiego dell’elettricità utilizzata nei FCEV, si registra un’efficienza pari a circa il 30%, contro l’efficienza di un veicolo elettrico pari a circa il 77%. Alla produzione di idrogeno tramite elettrolizzatori si aggiunge anche lo steam re- forming del biogas/biometano, una procedura interessante e sostenibile, che potrebbe prendere campo nei prossimi anni. Il prezzo dell’idrogeno verde è dovuto soprattutto al costo ancora molto alto delle apparecchiature necessarie per la sua produzione e stoccaggio che, non essendo ancora prodotte su grande scala, portano a CAPEX elevati per la loro installazione. A ciò vanno aggiunti i costi per la realizzazione dell’infra- struttura di trasporto e di distribuzione dell’idrogeno, o l’aggiornamento di quella esistente, dal punto di produzione alle utenze finali. Per quanto riguarda le tecnologie di stoccaggio dell’idrogeno e di pro- duzione delle fuel cell, è necessario un ulteriore sviluppo. Sebbene le celle a combustibile abbiano visto una notevole evoluzione nell’ultimo decennio, hanno costi di investimento molto alti, derivanti sia dai prezzi di produzione elevati che da tempi di vita relativamente limitati, che per il momento ne limi- tano la diffusione. Detto ciò, le spinte all’evoluzione tecnologica combinate a una filiera produttiva industriale più sviluppata produrranno per entrambe un rapido calo dei costi. 4.5. Azioni proposte L’idrogeno rimarrà, anche in prospettiva, un vettore caratterizzato da con- siderevoli costi di produzione e gestione nonché scarsamente disponibile. Per trarne vantaggio ai fini della decarbonizzazione del sistema economico oc- corre una strategia che identifichi le modalità di produzione e consumo più efficienti, in termini energetici, ambientali ed economici. Le prospettive di idrogenizzazione delle linee ferroviarie non elettrificate, dei trasporti a lungo raggio e degli utilizzi industriali “hard to abate” e non elettrificabili, risultano in questo senso condivisibili. È inoltre da valutare, in un secondo momento e con diversa priorità rispetto ai trasporti più pesanti ed a più lungo raggio, il Next >