< Previous30 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO S ebbene storicamente il settore dei trasporti sia stato dominato da un’unica tecnologia, identificabile nel motore alternativo a combustione interna (MACI o semplicemente MCI), è possibi- le che l’obiettivo di raggiungere una mobilità a zero emissioni promuova un mix tecnologico più variegato. Il progresso delle predominanti tecnologie BEV (veicoli a batteria completamen- te elettrici) e PHEV (veicoli ibridi con ricarica alla colonnina) potrebbe infatti essere accompagnato – ma solo sul medio lungo termine - dallo sviluppo di veicoli a celle a combustibile (FCEV), oppure, nel medio breve termine anche da motori a combustione interna (anche non alternatrici come i turbogas) che brucino idrogeno o miscele con idrogeno. 6.1 Celle a combustibile Nei FCEV, celle a combustibile altamente efficienti trasformano il com- bustibile sotto forma di idrogeno gassoso in elettricità, e la forniscono al mo- tore elettrico (o ai motori elettrici) del veicolo. Un sistema di propulsione fuel cell comprende generalmente uno stack di celle a combustibile, un serbatoio per l’idrogeno, una batteria e la necessaria elettronica di potenza, oltre ad un motore elettrico. Per lo stack e la batteria sono possibili diverse configurazio- ni. L’idrogeno immagazzinato nel serbatoio del veicolo raggiunge lo stack di celle a combustibile insieme a un flusso d’aria, la cui componente di ossige- no reagisce con l’idrogeno nello stack per generare elettricità e acqua. Così, l’elettricità va ad alimentare il motore elettrico e l’acqua è l’unico prodotto di scarto generato dal processo. Negli ultimi 20 anni, la collaborazione tra par- tner 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 at- tualmente nei primi stadi dello sviluppo commerciale. Alcuni grandi player del settore automotive (Hyundai, Symbio/Renault, Toyota) propongono già mo- delli FCEV; in particolare, Toyota e Hyundai hanno annunciato un incremento 6. Idrogeno per la mobilità31 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO nei volumi di produzione fino a 30 mila unità all’anno a partire dal 2020 per i modelli Mirai e Nexo. Li seguono a breve distanza Honda e Daimler, mentre si muovono nella stessa direzione Audi, BMW, Jaguar, e PSA. I tempi di ricarica di un veicolo a idrogeno sono molto più rapidi, di circa 10/15 volte, delle ri- cariche 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 problema comune tra FCEV è BEV è quello della range anxiety che al momento interessa tutti i possessori di veicoli con “alimentazioni rare”. Tutti questi elementi considerati nel complesso e combinati tra loro, inducono a ritenere la mobilità a idrogeno una soluzione molto efficiente ed efficace per il trasporto medio/pesante su lunghe gittate. L’efficienza energetica TtW (tank to wheel) di una FCEV risulta essere pari a 41% a differenza del 65% di un BEV. 6.2 Motori alternativi combustione interna I motori alternativi a combustione, oggigiorno rappresentano la fonte pro- pulsiva della quasi totalità del parco veicoli in esercizio (99,8% !!!). Un mercato nel quale know-how italiano è estremamente rappresentativo e competitivo. Il trasporto, a livello globale, è profondamente legato a produttori e ad infra- strutture che hanno raggiunto un’immensa estensione e che richiederà im- mensi sforzi e lungo tempo per essere abbandonata e sostituita da una nuova. Si capisce come possa apparire necessario continuare ad avvalersi di tecnolo- gia, con obbiettivi di miglioramento basati sull’incremento dell’efficienza e la riduzione le emissioni. A giudizio degli scriventi, una possibile soluzione per determinare dinamiche di domanda dell’idrogeno immediata e nel contempo riqualificare i mezzi esistenti (soprattutto di grandi dimensioni) potrebbe esse- re quella di utilizzare i motori alternativi a combustione interna con alimenta- zione a idrogeno, grazie alle peculiari caratteristiche chimiche di combustione di tale molecola. È infatti dimostrato che tali scenari di utilizzo hanno la po- tenzialità di aumentare l’efficienza termica del motore, anche ai carichi parziali determinando l’azzeramento delle emissioni di CO 2 e il netto abbattimento delle altre forme di emissioni. Solo a titolo di esempio, si riportano i risultati [18] di uno dei diversi studi nel quale è stato effettuato un confronto tra un motore alimentato a benzina e lo stesso motore alimentato a idrogeno, al fine di valutare le differenze in ter- mini di efficienza termica al freno, al variare della coppia frenante e del numero di giri del motore. Il motore commerciale preso in esame (Volvo 16 valvole, 1783 cc e rapporto di compressione 10,3:1), ha funzionato stabilmente con 32 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO una efficienza termica al freno dell’idrogeno, ai bassi carichi e bassi numeri di giri (1500÷2500 rpm), superiore del 40-60% rispetto al funzionamento a benzina. L’efficienza termica al freno dell’H 2 in questa condizione è pari circa al 23% Altrettanto significativa è l’annullamento della CO 2 prodotta e la sensibile diminuzione degli NO X , dovuta alla regolazione dell’anticipo dell’accensione e quindi il controllo dei picchi di temperatura. 6.3 Motori a combustione interna a flusso permanente, microturbine Una soluzione altrettanto promettente potrebbe essere il ricorso alla com- bustione diretta dell’idrogeno in microturbine a gas accoppiate con alterna- tori. Le microturbine sono da lungo tempo utilizzate con combustibili liquidi per sistemi semoventi molto energivori come, ad esempio, i carri armati ame- ricani Abrams. Si tratterebbe di un adattamento pressoché di tipo tecnologico con l’obiettivo di efficientare la camera di combustione. Il sistema accoppiato turbogas a idrogeno e alternatore fornirebbe l’elettricità per alimentare una batteria di piccola taglia 10-50 kWh (a seconda della potenza complessiva del mezzo) per garantire una efficiente riserva di energia in configurazione ibrida-serie. Usualmente i rendimenti di tali microturbine sono dell’ordine del 35-40%, comparabili a quelli delle FCEV, ma con il vantaggio di essere estre- mamente economiche, estremamente affidabili per un lunghissimo numero di ore di utilizzo, estremamente semplici da manutenere. Il risultato della com- bustione dell’idrogeno in tali macchine azzera completamente le emissioni di CO 2 , non completamente le altre emissioni (NO X e particolato derivante dal- la combustione dei residui di lubrificante), ma rappresenta una interessante applicazione immediatamente attuabile per la mobilità medio/pesante. Uno scenario interessante, tanto per i truck che per le passenger car, può essere la modalità di funzionamento: l full-electric all’interno dei perimetri urbani densamente popolosi per consentire l’azzeramento completo delle emissioni, contando sull’accu- mulo elettrochimico, al fine di minimizzare l’impatto sulla salute pubblica e le relative spese sanitarie; l range-extender con l’azionamento della turbina a idrogeno, con funzio- namento a punto fisso, per la produzione di potenza all’albero per l’a- zionamento dell’alternatore di ricarica, nei percorsi extra urbani, di lunga percorrenza.33 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO 6.4 Le stazioni di rifornimento, hub o distribuite? In ognuno di questi possibili scenari, più o meno pronti alla possibile at- tuazione, la creazione di una rete di rifornimento è di importanza cruciale. Al momento, la diffusione di stazioni di rifornimento è molto limitata, sebbene in crescita. Sia inteso che questa potrebbe dipendere dalle strategie utilizzate per diffondere tali tecnologie. Qualora si puntasse solo sui truck, sugli autobus di città, o anche su autolinee a percorsi circolari alimentati a idrogeno, la rea- lizzazione di punti di ricarica con idrogeno green prodotto sul posto sarebbe molto attuabile perché concentrabile in “hub” localizzati, ad esempio nelle zone PIP, ZES o ASI, aree a vocazione notoriamente industriale. Con tali ipo- tesi, strategie a diffusione capillare sarebbero superflue e destinate solo alle stazioni di ricarica elettriche. La Germania è lo Stato membro dell’UE che sta profondendo il maggio- re sforzo nella costruzione di stazioni di rifornimento per idrogeno. Partendo da una base di 6 stazioni a 350 bar per il rifornimento di autobus e camion, si propone infatti di incrementarne il numero fino a 100 nei prossimi mesi, permettendo a 6 milioni di veicoli (prevalentemente commerciali) di contare su questa rete. Un fattore critico è proprio la pressione di rifornimento. Infatti, se per un’auto può essere indicato un rifornimento 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. Nel caso di una mobilità a idrogeno ipotizzata a ogni segmento e categoria, un notevole complicazione sarebbe quella di dover differenziare gli erogatori per adattarli ai diversi target (350 e 700 bar), tenendo conto anche delle specificità dei ser- batoi, che possono essere di diverse tipologie. Le stazioni di rifornimento tedesche propongono un prezzo di rifornimen- to pari a € 9.50/kg di H 2 e un FCEV consuma circa 1kg H 2 /100 km [19], mentre con una microturbina a idrogeno di potrebbero percorrere 50 km con 6.75 € contro i 5 € del gasolio. Poco più in su si andrebbe con i MACI alimentati a idrogeno. Attualmente le uniche stazioni di rifornimento presenti sul territorio italiano si trovano presso Colle Salvetti (LI) e Bolzano: quest’ultima può riforni- re circa 15 autobus a idrogeno al giorno con autonomia di 200-250 km o fino a 700 autovetture [20]. La Direttiva Europea per lo sviluppo di infrastrutture alternative per il ri- fornimento nel settore del trasporto pone le basi politiche per una progressiva transizione verso un trasporto a zero o basse emissioni nell’Unione Europea. L’Italia ha adottato questa direttiva con il Decreto Legge n. 257 del 16 dicem-34 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO bre 2016, che include un Piano Nazionale per la Mobilità a Idrogeno, definito dal gruppo Mobilità Idrogeno Italia.[21] I vantaggi derivanti dall’uso di veicoli di piccola taglia (city car) con alimen- tazione a idrogeno devono scontrarsi con le difficoltà dettate da diversi fattori come: l’inefficienza creata dalle doppie trasformazioni energia elettrica rinno- vabile-idrogeno-energia elettrica, che obbliga, allo stato attuale della tecno- logia, l’utilizzo di una quantità più che doppia di energia rinnovabile rispetto al suo uso diretto nei mezzi, rendendo difficilmente percorribili le soluzioni a Fuel Cell di piccola taglia e meno efficienti. Altra criticità è riscontrata nella filiera industriale legata all’idrogeno che impone, almeno nelle prime fasi di diffusione del vettore energetico in questione, una scelta sui campi che neces- sitano di maggiore priorità nell’utilizzo dell’idrogeno con il fine di abbattere le emissioni: come più volte ribadito, nell’ambito del trasporto su veicoli leggeri l’elettrificazione dei mezzi è già decisamente più diffusa e potrebbe non giusti- ficare un investimento nelle Fuel Cell. 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 ba- sati su biocarburanti, biometano, motori elettrici, GNL o idrogeno. Il costo dei camion a celle a combustibile non è attualmente competitivo rispetto alle alternative, quali ad esempio MACI a idrogeno, tecnologia semplice e di facile implementazione. Lo stesso discorso è valido anche per gli altri mezzi di tra- sporto di taglia grande come i bus. 6.5 Trasporto ferroviario Il trasporto ferroviario rappresenta un settore dove la mobilità a idroge- no si sta facendo riconoscere come possibile alternativa ai mezzi di trasporto standard sulle linee non elettrificate in ambito europeo. In questo contesto, le tecnologie Fuel Cell sono sempre più riconosciute come mature e robuste commercialmente, come dimostrato dai treni a idrogeno presenti in Germania ed in introduzione in altri Paesi Europei. Sebbene la gran maggioranza delle linee ferroviarie europee sia elettri- ficata, comprese quelle italiane che hanno una percentuale del 72% di elet- trificazione [22] e che la maggioranza dei servizi di trasporto offerti avvenga su di esse, i treni a idrogeno sono considerati da molti studi e scenari come competitivi per quelle tratte non coinvolte da elettrificazione e da bassa fre- quenza di servizio, in sinergia con le lunghe percorrenze, e comunque entro i limiti di autonomia imposti dai serbatoi a bordo e dall’efficienza della tecnolo- gia [23]. L’idrogeno, inoltre, non richiede la realizzazione di una infrastruttura 35 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO elettrica, ma consente ai treni di circolare sull’infrastruttura ferroviaria esistente [24], rendendo la mobilità ferroviaria interessante dal punto di vista economico e un’ottima opportunità per decarbonizzare ulteriormente questo settore del trasporto pubblico[23]. I serbatoi del combustibile sono sostituiti da tank ad alta pressione di idrogeno (350 bar) capaci di garantire autonomie dell’ordi- ne di 700-800 km. La componente powertrain, composta dal motore diesel nel rotabile tradizionale, viene sostituita da motori elettrici, tipici dei treni che viaggiano su linea elettrificata, mentre la potenza elettrica viene generata da una serie di moduli di celle a combustibile ottimizzate per il trasporto ferro- viario, che trovano generalmente collocazione sul tetto delle vetture. I moduli a celle a combustibile sono equipaggiati con tutti gli ausiliari necessari quali soffiante per l’aria catodica ed il circuito di raffreddamento. Un appropriato pacco batterie è integrato per garantire la fornitura durante i picchi di potenza e le operazioni di sicurezza [23]. 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, seguita dalle intenzioni progettuali in Sardegna. Con il progetto H2iseO, promosso da FNM in collaborazione con Trenord, saranno attivati 6 locomotori Alstom a idrogeno entro il 2023 e altri 8 entro il 2026, sostituendo completamente la vecchia flotta diesel. Successivamen- te, entro il 2025, il progetto coinvolgerà anche il TPL, con circa 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 hub 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 affian- cata la produzione di idrogeno green da elettrolisi, grazie al contributo di Enel Green Power. 6.6 Trasporto navale Il settore dei trasporti marittimi, per il grande impatto di emissioni di gas serra (circa 2,2% delle emissioni globali antropiche di CO 2 ) e di inquinamento locale portuale, merita particolare attenzione nello studio di metodi alterna- tivi di alimentazione. Passando ad analizzare il possibile utilizzo di idrogeno è evidente che, oltre ai temi di efficienza, tecnologici e infrastrutturali per il 36 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO trasporto e lo stoccaggio a terra, la sfida principale con l’idrogeno sia lo stoc- caggio a bordo. Diversi metodi di stoccaggio dell’idrogeno sono stati valutati sulla loro utilità come tecnica di stoccaggio per le applicazioni dell’idrogeno nell’industria marittima. Questi metodi di stoccaggio sono idrogeno compresso, idrogeno liqui- do, ammoniaca, diesel Fischer – Tropsch, gas naturale sintetico, metanolo, acido formico, vettori di idrogeno organico liquido aromatico e diversi vettori di idrogeno allo stato solido: MgH 2 , NaAlH4, leghe di fase AB2-laves, NaBH4 e NH3BH3. L’idrogeno compresso richiede la minor quantità di energia; il metodo di stoccaggio dell’idrogeno che consuma più energia è il carburante Diesel FTS che richiederebbe quasi il triplo dell’energia necessaria per l’idrogeno com- presso. A livello di densità energetica, tuttavia, il carburante FTS supera gli altri vettori di idrogeno. L’analisi della densità energetica ha anche mostrato che mentre in teoria i vettori di stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido mostrano accettabili capacità di stoccaggio dell’idrogeno, c’è comunque bi- sogno di un sistema efficiente e leggero per immagazzinare i vettori. È importante notare che, a eccezione dei combustibili FTS, del GNL e del metanolo, attualmente non sono disponibili infrastrutture di bunkeraggio per le grandi navi. È probabile che lo sviluppo di nuove infrastrutture di rifornimen- to costituisca una delle principali sfide per l’uso dell’idrogeno nel trasporto marittimo. Infine, non tutti i tipi di carburante discussi sono privi di pericolo, questi aspetti saranno cruciali in tutti i diversi vettori di stoccaggio dell’idro- geno. Armatori, porti e istituzioni normative saranno chiamati a fare scelte stra- tegiche sui metodi di stoccaggio dell’idrogeno per la navigazione. In tal senso il Giappone si sta muovendo verso il trasporto di azoto liquido su grosse navi container provenienti dall’Australia[25]. Visto il punto strategico in cui è situata l’Italia, sarebbe opportuno prendere in alta considerazione gli sviluppi tecno- logici della filiera dell’idrogeno legati al ramo del trasporto marittimo. 6.7 Trasporto aereo Per quanto riguarda il trasporto aereo, è stato ormai assodato che l’unica possibile forma dell’idrogeno ideale per competere con il kerosene a livello prestazionale (quello economico al momento pare molto distante) nel settore aeronautico sia quella liquida. Per ridurre le emissioni di inquinanti sarebbe necessario utilizzare l’idrogeno come combustibile soprattutto su aerei desti-37 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO nati a percorrere tratte estremamente lunghe. Alcuni degli svantaggi dell’ LH 2 sono rappresentati in particolare dalla progettazione del combustore, dalla mitigazione e gestione di NO X e dal problema dell’elevato volume di stoccag- gio necessario. La Cranfield University è stata in prima linea nella progettazione di com- bustori e negli studi di riprogettazione per applicazioni di motori aeronautici LH 2 all’interno del progetto CRYOPLANE e ENABLEH2 dell’Unione Europea (UE) [26]. Sono stati evidenziati inoltre alcuni vantaggi prestazionali dell’ LH 2 rispet- to al carburante per aerei (cherosene). I risultati delle prestazioni mostrano una riduzione del consumo del 64% del carburante di LH 2 rispetto al carburante per aerei, a causa dell’elevato potere calorifico inferiore dell’ LH 2 . Ciò consen- te anche al motore turbofan di funzionare con un TET inferiore, prolungan- do così la durata del motore del 15%. Lo studio ha anche discusso l’analisi dell’exergia, con LH 2 che mostra una migliore efficienza exergetica rispetto al carburante per aerei [26]. Come già detto tutti questi vantaggi si scontrano con l’attuale scarsa domanda di idrogeno e con le relative difficoltà di proget- tazione del velivolo. Nonostante queste criticità alla fine di settembre 2020 il gigante eu- ropeo Airbus ha annunciato l’intento di eliminare le emissioni di carbonio dai viaggi aerei entro il 2035 con ZEROe. Come riportato dall’Environmental and Energy Study Institute: «nonostante un significativo miglioramento dell’ef- ficienza degli aeromobili e delle operazioni di volo negli ultimi 60 anni, il tra- sporto aereo di passeggeri è il settore responsabile della crescita di emissioni individuali più elevata e più rapida». Secondo AirBus, ZEROe può aprire la strada a viaggi aerei più ecologici, riducendo l’impronta di carbonio del setto- re aeronautico di oltre il 50% [24]. Per quanto riguarda le applicazioni in questo campo in ambito italiano, attualmente l’uso di idrogeno come combustibile di velivoli appare un con- cetto molto remoto a causa della necessità di dare priorità in campi in cui sono presenti meno difficoltà di utilizzo del vettore energetico, al fine di poter espandere il più possibile il mercato generale dell’idrogeno. Appare più pro- babile nell’immediato l’utilizzo di combustibili sintetici sempre derivanti dalla filiera dell’idrogeno. In linea generale per la mobilità di tutte le tipologie, oltre ai generici pro- blemi logistici di stoccaggio e trasporto dell’idrogeno, la difficoltà principale è 38 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO rendere le tecnologie fruibili a prezzi di vendita accessibili. Questo attualmen- te risulta un problema arginabile solo attraverso incentivazioni di varia natura per il cliente finale, ma l’elevato costo del combustibile resta comunque diffi- cile da ridurre in tempi brevi.39 ABSTRACT L’ECONOMIA DELL’IDROGENO A IMPATTO CARBONIOSO NULLO 7. Risorse economiche necessarie e incentivazione dei processi 7.1 Risorse destinate a Ricerca e Sviluppo L’ idrogeno potrebbe generare fino a 30 milioni di posti di lavoro entro il 2050, e un mercato che potrebbe raggiungere i 2.500 miliardi di dollari annuali aggiuntivi rispetto all’economia mon- diale [27]. Lo spostamento di somme così ingenti necessiterà anche un adeguamento delle figure professionali che andran- no a interfacciarsi in questo nuovo ambito. Importante sarà quindi la fase di formazione di tali figure che necessiteranno di una costante fase di aggiornamento legata allo sviluppo continuo delle solu- zioni messe in atto nelle tecnologie di ultima generazione legate all’idrogeno: l progettisti, costruttori e esperti di marketing di elettrolizzatori (Alk, PEM e SOEC), Fuel cell, bombole e accumulatori a idruri metallici, infrastrut- ture di trasporto e distribuzione; l progettisti di veicoli a idrogeno terrestri, marittimi, ferroviari, aerei; l costruttori e lavoratori in fabbriche di mezzi di trasporto a idrogeno; l progettisti di sistemi integrati di produzione di energia da fonti rinnova- bili nelle filiere dell’idrogeno; l esperti riparatori e manutentori di fuel cell, elettrolizzatori, ecc. Ruolo chiave per creare una forte spina dorsale dell’economia dell’idro- geno è rappresentato dalla ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie in questo ambito che possano accelerare l’incisività del vettore energetico nella società. Come evidenziato nel corso dell’intera trattazione, l’idrogeno propone gran- dissime prospettive in termini di riduzione di impatto carbonioso, tuttavia, quasi tutte le tecnologie a esso collegate necessitano di uno studio appro- fondito e di un perfezionamento senza i quali esse non potranno mai trovare Next >