Sostituire l’idrogeno ai combustibili fossili non fermerà le emissioni di gas serra: lo studio del Paul Scherrer Institut in Svizzera

I futuri scenari di mitigazione del clima prevedono un uso massiccio dell’idrogeno, che da qui al 2050 sembra destinato a svolgere un ruolo chiave nella decarbonizzazione dei settori difficili da elettrificare, ma anche nell’immagazzinamento di energia da fonti rinnovabili intermittenti e per la sintesi di e-fuel.

A fronte di una domanda che crescerà fino a sei volte, la produzione di idrogeno dovrà aumentare altrettanto. Eppure ci sono ancora diversi aspetti da chiarire: dove costruiremo gli impianti di produzione dell’idrogeno? E quali metodi utilizzeremo per produrlo?

I ricercatori del Paul Scherrer Institut hanno quantificato i costi e l’impatto ambientale di diverse economie dell’idrogeno su larga scala, analizzando quattro diversi scenari da qui al 2050. Lo studio, pubblicato sulla rivista “Nature Communication”, porta l’eloquente titolo “Le future economie dell’idrogeno comportano compromessi ambientali e uno squilibrio tra domanda e offerta”.

Neutralità climatica: l’idrogeno sarà la soluzione?

Per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050 non basteranno l’elettrificazione e il passaggio a fonti di energia rinnovabili per produrre elettricità. Alcuni settori industriali attivi in Svizzera, come l’agricoltura e l’industria siderurgica, hanno bisogno di energia a maggiore densità. Ed è qui che entra in gioco l’idrogeno, una possibile alternativa ai combustibili fossili per tutti quei comparti industriali difficili da elettrificare.

Secondo le previsioni degli scienziati, nel 2050 l’idrogeno assorbirà il 2-10 per cento della domanda totale di energia a livello mondiale: la sua produzione, quindi, dovrà aumentare sensibilmente, passando dagli attuali 90 milioni di tonnellate metriche all’anno a 200-600 Mt all’anno.

La semplice sostituzione dei combustibili fossili con l’elettricità e l’idrogeno, però, non porrà fine alle emissioni di gas serra: è una delle conclusioni principali dello studio appena pubblicato su “Nature Communication” dai ricercatori del Paul Scherrer Institut, guidati dall’autore principale Tom Terlouw e dal capo progetto Christian Bauer del Laboratory for Energy Systems Analysis del PSI.

La produzione di idrogeno attuale, fanno notare i ricercatori, si basa su metodi ad alta intensità di carbonio, come lo steam reforming del metano e la gassificazione del carbone, tanto che la produzione di idrogeno già contribuisce a circa il 2 per cento delle emissioni globali di anidride carbonica legate all’energia.

Anche l’idrogeno verde a bassissime emissioni di carbonio “provoca emissioni indirette e flussi di materiali che richiedono la valutazione dei compromessi ambientali e dei potenziali colli di bottiglia per la diffusione su larga scala”, si legge nello studio, “inoltre, come e dove produrre queste enormi quantità di idrogeno verde rimane in gran parte sconosciuto”.

Con l’elettrolisi fino al 90% di emissioni in meno

I ricercatori del PSI hanno raccolto dati e previsioni geografiche ed economiche per descrivere lo sviluppo di un’economia dell’idrogeno in quattro diversi scenari. A seconda dello scenario, prevedono che nel 2050 la domanda di idrogeno sarà compresa tra 111 e 614 megatonnellate all’anno.

Nel primo scenario, il mondo continua ad affidarsi ai combustibili fossili come se niente fosse. Nel quarto scenario, che è il più ottimistico, i governi adottano misure rigorose di protezione del clima e l’umanità riesce a raggiungere gli obiettivi dell’Accordo di Parigi, e quindi a limitare l’incremento delle temperature globali a 1.5 °C.

In ogni caso, si parte dal processo di produzione dell’idrogeno: il metodo dominante, allo stato attuale, è lo steam reforming del metano, in cui l’elemento viene estratto da gas naturale, petrolio o altri combustibili fossili in condizioni di alta pressione e temperatura.

Gli scenari più ottimistici analizzati dai ricercatori ipotizzano un crescente uso dell’elettrolisi con membrana polimerica elettrolita (PEM), che utilizza l’elettricità e una membrana elettrolitica per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Se si utilizza solo elettricità da fonti rinnovabili, infatti, questo processo può funzionare anche senza combustibili fossili, e produrre fino al 90 per cento in meno di gas serra rispetto al reforming del metano.

Dove dovremmo produrre l’idrogeno del futuro?

La questione centrale, però, resta dove produrre l’idrogeno con questa tecnologia. “Abbiamo applicato soprattutto criteri economici”, spiega Terlouw, “in altre parole, abbiamo cercato i posti in cui la produzione sarebbe stata più economica”.

E questo dipende essenzialmente da due fattori: la possibilità di soddisfare l’enorme domanda di energia verde, e quindi disporre di fonti energetiche alternative, e gli spazi adatti per costruire gli impianti di produzione.

In base alle analisi dei ricercatori, una delle regioni migliori per la futura produzione di idrogeno è il Canada: “Ci sono molti spazi aperti che sono molto ventosi e quindi ideali per installare turbine eoliche”, spiega Terlouw, “inoltre, c’è molta acqua in giro e la situazione politica è stabile, anche se nel nostro studio non abbiamo considerato questi due criteri nel dettaglio. Ma naturalmente anche la disponibilità di acqua per l’elettrolisi gioca un ruolo importante, così come la questione se il Paese in questione è uno di quelli da cui l’idrogeno può essere importato in modo affidabile”.

Anche gli Stati Uniti centrali offrono buone condizioni, così come parti dell’Australia, del Sahara, della Cina settentrionale e dell’Europa nord-occidentale, sia perché c’è molto sole per l’energia solare, sia perché ci sono vento e spazi aperti per costruire turbine eoliche (e fabbriche di idrogeno).

Idrogeno, lo squilibrio attuale tra domanda e offerta

I Paesi industrializzati dell’Europa centrale come la Svizzera o la Germania, spiegano i ricercatori, sono meno adatti alla produzione di idrogeno perché non c’è molto terreno disponibile per le turbine eoliche e i livelli di radiazione solare sono relativamente bassi. Altre regioni e paesi densamente popolati, come il Giappone o le grandi aree costiere di Stati Uniti e Cina, potrebbero produrre idrogeno solo a costi relativamente elevati.

“Abbiamo identificato una certa discrepanza tra le regioni con un’elevata domanda di idrogeno e quelle con un’elevata capacità di produrlo in modo efficiente”, conclude Terlouw. Un’economia dell’idrogeno dovrebbe superare questa discrepanza attraverso il commercio globale, ma questo richiede energia aggiuntiva, oltre che cooperazione politica.

E ci sarebbero anche gli effetti collaterali di una potenziale economia dell’idrogeno, spesso ignorati dall’opinione pubblica: “In primo luogo, è importante sottolineare che anche un’economia dell’idrogeno funzionante continuerà a produrre emissioni residue di gas serra”, afferma Terlouw. In base allo studio, queste emissioni residue ammontano a quasi una gigatonnellata di CO2 equivalente all’anno.

L’impatto della produzione di idrogeno (non solo sul clima)

“Non sarà possibile ridurre a zero l’impatto sul clima”, spiega Christian Bauer: la produzione e la distribuzione dell’idrogeno sono infatti intrinsecamente associate alle emissioni. Oltre alle perdite, che rilasciano nell’atmosfera circa il 2,5 per cento dell’idrogeno prodotto (che a sua volta agisce come gas serra), ci sono le cosiddette emissioni incorporate, quelle cioè legate ai processi di produzione e trasporto.

“Molti dei sistemi e delle macchine utilizzati in un’economia dell’idrogeno sono fabbricati in Paesi in cui, nel prossimo futuro, la loro produzione dipenderà in larga misura dai combustibili fossili”, spiega Terlouw. “Oggi, ad esempio, la maggior parte dei pannelli solari proviene dalla Cina, dove la maggior parte dell’elettricità è ancora prodotta da centrali a carbone”.

“Infine, ma non meno importante, c’è la grande questione dell’accettazione sociale”, sottolinea Terlouw. “La gente accetterà che i paesaggi costieri siano occupati da grandi impianti di produzione di idrogeno?”.

“Nello studio attuale non abbiamo ancora tenuto conto di questi fattori”, ammette Christian Bauer. “Seguiranno ulteriori studi. Vogliamo indicare i possibili mezzi per realizzare la transizione energetica. Se e quanto rigorosamente li perseguiremo, in ultima analisi, è una questione socio-politica”.

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