Elettrolizzatore idrogeno

L’elettrolizzatore per la produzione di idrogeno è un impianto che permette di produrre idrogeno tramite l’elettrolisi dell’acqua. A livello industriale, la produzione di H₂ e l’elettrolisi sono processi rodati, tuttavia, questa tecnica è oggi centrale nel contesto della decarbonizzazione e in grado di giocare un ruolo chiave nello sviluppo delle energie rinnovabili. Prima di scendere nel dettaglio su come funziona un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno, quali sono le prospettive future e il ruolo di Air Liquide a livello globale, è però necessario inquadrare il contesto in cui si introduce questa tecnologia.

Dalla produzione tradizionale di H₂ all’elettrolizzatore idrogeno

Ad oggi l’idrogeno è impiegato soprattutto nel settore del raffinaggio-petrolchimico e nella produzione di fertilizzanti. Questi processi di produzione generano emissioni di CO₂. 
 
L’H₂ si ottiene per lo più tramite gassificazione del carbone o reforming del metano (es. Steam Reforming): due tecnologie diffuse sul mercato e storicamente meno costose, principalmente per il costo della materia prima, ed in grado di produrre quantitativi molto elevati rispetto agli elettrolizzatori che producono idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua con alimentazione elettrica. In più, per essere un processo a zero emissioni, l’elettrolisi dovrebbe essere alimentata da fonti rinnovabili.

Secondo l’Hydrogen Innovation Report 2022, la maggior parte dell’H₂ prodotto nel 2019 è stato ottenuto da processi termici di origine fossile, il 3,9% da elettrolisi di sottoprodotti per la produzione di cloro, soda e clorato di sodio, e lo 0,5% da reforming con cattura dell’anidride carbonica. L’”idrogeno verde” ottenuto da elettrolizzatori alimentati con energia elettrica rinnovabile costituisce al momento solo lo 0,1% della produzione. 
 
Tuttavia, lo stimolo delle istituzioni verso una società più sostenibile è una realtà, e l’idrogeno verde è attualmente al centro delle politiche europee che mirano a raggiungere la carbon neutrality. In Europa, l’obiettivo del “Green New Deal” è azzerare le emissioni nette di gas serra al 2050, con un passaggio intermedio al 2030 che ne prevede la riduzione del 55% rispetto ai valori del 1990. Per raggiungere questi importanti target è necessario rivedere l’impiego dei combustibili diffondendo maggiormente l’uso di idrogeno verde e, di conseguenza, la tecnologia dell’elettrolizzatore.
 
Ma prima di entrare nel merito, occorre spendere alcune parole su come funziona un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno e quali sono i principali vantaggi di questa tecnologia.

Elettrolisi dell'acqua e idrogeno: i vantaggi dell’elettrolizzatore

Il processo elettrochimico alla base dell’elettrolizzatore è l’elettrolisi dell’acqua. Sottoponendo le molecole di acqua (H₂O) a una tensione superiore di circa 1,48 V all’interno di una cella elettrolitica, queste si scindono in ossigeno e idrogeno. 
 
Esistono diversi tipi di elettrolizzatore per la produzione di idrogeno: quello su cui Air Liquide ha deciso di puntare maggiormente è l’elettrolizzatore PEM. In questo caso, l’elettrolita è una membrana polimerica che permette il passaggio di ioni H+. Gli impianti PEM hanno numerosi vantaggi, tra cui una grande flessibilità, un’impronta a terra ridotta rispetto a quelli alcalini, l’assenza di una soluzione chimica. 
 
Al di là delle diverse tecnologie, un vantaggio generale della produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore è la sua scalabilità, perché dà la possibilità di cominciare con piccole taglie per poi arrivare a volumi sempre più importanti. Inoltre, per i motivi già accennati, è candidato a diventare un protagonista nella produzione di idrogeno verde e nella transizione energetica.

La tecnologia dell’elettrolizzatore idrogeno

Per ottenere idrogeno totalmente verde occorre che l’elettricità che alimenta le celle elettrolitiche sia prodotta da fonti di energia pulita. A questo proposito, la produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore diventa ancor più importante poiché è percepita proprio come una spinta allo sviluppo delle energie rinnovabili. 
 
Uno dei criteri stabiliti dalla Commissione Europea per definire il concetto di “idrogeno pulito” è il principio di addizionalità secondo cui l’energia elettrica pulita impiegata per produrre idrogeno deve provenire da impianti FER nuovi. Da una parte l’idrogeno diventa quindi fondamentale per sviluppare energie rinnovabili; dall’altra, l’uso di energia rinnovabile certifica la natura rinnovabile dell’idrogeno verde. 
 
L’elettrolizzatore per produrre idrogeno rappresenta quindi una delle tecnologie fondamentali per raggiungere entro il 2050 gli obiettivi di decarbonizzazione dell’economia e la neutralità climatica. La combinazione con le energie rinnovabili permette agli elettrolizzatori di fornire idrogeno rinnovabile non solo a molti settori industriali, ma anche per altre applicazioni da decarbonizzare come la mobilità (dai mezzi pesanti a idrogeno all’aereo a idrogeno). 
 
Tra gli obiettivi della Strategia Europea per l’idrogeno vi è infatti quello di aumentare l’uso dell’H₂ nei consumi finali dall’attuale 2% al 14% raggiungendo 500 GW di capacità installata al 2050. La Commissione Europea prevede inoltre un passaggio intermedio al 2030, con 40 GW di elettrolizzatori installati. Di questa capacità, si stima che circa il 65% arriverà da Francia, Germania, Spagna, Paesi Bassi, Portogallo e Italia. Con i suoi 0,6 Mton circa di consumo di idrogeno, il nostro Paese è attualmente il quinto Stato europeo a impiegare questa fonte di energia.

L’impegno di Air Liquide attraverso la diffusione dell’elettrolizzatore PEM per produrre idrogeno

Air Liquide ha maturato diverse  esperienze progettuali su differenti tecnologie di elettrolisi e conferma il suo impegno a lungo termine per ridurre le emissioni di CO₂ e promuovere l’H₂ come vettore di energia pulita. Da sempre il nostro Gruppo punta all’innovazione e i nostri team di ricerca lavorano quotidianamente per mettere a punto le tecnologie del futuro. Investire sull’idrogeno è una risposta concreta al bisogno di raggiungere l’indipendenza energetica e, allo stesso tempo, decarbonizzare la società attraverso l’impiego di H₂ verde.

I progetti di Air Liquide basati sulla tecnologia dell’elettrolizzatore per produrre idrogeno

Air Liquide oggi conta più di 35 elettrolizzatori in funzione in tutto il mondo, tra cui il primo impianto PEM da 20 MW, avviato nel 2021 a Bécancour, in Canada. Questo elettrolizzatore può produrre oltre 8,2 tonnellate di idrogeno low-carbon al giorno. Alimentato al 99% da energia rinnovabile, l'impianto evita l'emissione di 27.000 tonnellate di CO₂ all'anno rispetto ai già citati metodi tradizionali di produzione di idrogeno. 
 
A livello europeo, Air Liquide e Siemens Energy hanno creato una joint venture per realizzare elettrolizzatori per la produzione di idrogeno con tecnologia PEM alimentati da fonti rinnovabili su scala industriale in Europa. L’obiettivo della partnership è promuovere lo sviluppo di una filiera europea dell’idrogeno verde.

La gigafactory di elettrolizzatori nata da questo accordo è stata inaugurata in Germania, a Berlino, sul finire del 2023. Questo innovativo sito produttivo si estende su una superficie molto ampia, pari a oltre 2.000 metri quadrati, e fa leva in modo particolare sull’automazione e sulla robotica. Lo scopo di questo ambizioso progetto è produrre in serie moduli PEM, ovvero i componenti principali dell’elettrolizzatore con tecnologia basata sulla membrana a scambio protonico. L’assemblaggio dei moduli avverrà poi nelle vicinanze dei singoli siti di progetto, ovvero dove verranno costruiti i vari elettrolizzatori idrogeno, contribuendo a rendere la soluzione ancora più efficace dal punto di vista dei costi.

La roadmap della gigafactory di Berlino prevede di arrivare a una capacità produttiva annua di 3 GW entro il 2025. La produzione di massa di componenti essenziali consentirà di diffondere maggiormente la tecnologia dell’elettrolizzatore idrogeno in ambito europeo. In questo modo, sarà possibile ottenere H₂ a basso contenuto di carbonio su scala industriale e a costi competitivi con l’obiettivo finale di creare un ecosistema europeo dell’idrogeno e favorire una maggiore sostenibilità dell’industria.

Oltre alla gigafactory, in Europa sono già diversi i progetti nell’ambito della partnership stretta tra Air Liquide e Siemens Energy. Il primo elettrolizzatore a essere costruito nell’ambito di questa joint venture sarà l’impianto di Oberhausen, in Germania. In una prima fase la capacità sarà di 20 MW per arrivare poi a 30 MW. L’elettrolizzatore tedesco sarà collegato alla rete locale di tubazioni Air Liquide con l’obiettivo di decarbonizzare le industrie e la mobilità nelle zone più industrializzate della Germania.

Tra gli altri progetti a cui stanno lavorando i due Gruppi, spiccano anche i siti di Kassø, in Danimarca, e FlagshipONE, in Svezia. Una volta a regime, questi due impianti forniranno idrogeno prodotto tramite elettrolizzatore che verrà utilizzato per la produzione di carburanti sintetici per il settore della navigazione.

In Francia, Air Liquide ha inoltre firmato un accordo con TotalEnergies per fornire idrogeno prodotto tramite elettrolizzatore alla raffineria di Gonfreville. La collaborazione tra le due realtà si inserisce nello sviluppo di una filiera dell’idrogeno a basso tenore di carbonio. La finalità dell’accordo è contribuire a ridurre le emissioni inquinanti delle industrie situate nel bacino del fiume Senna.

In occasione di questo memorandum d’intesa, a settembre 2023, Air Liquide ha poi annunciato un ulteriore investimento pari a oltre 400 milioni di euro nel settore dell’idrogeno. Il Gruppo ha infatti ricevuto il supporto dello Stato francese per lo sviluppo del progetto Normand’Hy, che prevede la costruzione di un elettrolizzatore idrogeno a Port-Jérôme, nella regione della Normandia, nel nord della Francia.

Sarà infatti l’elettrolizzatore Normand'Hy a fornire idrogeno low-carbon e rinnovabile alla raffineria di Gonfreville di TotalEnergies. Con una capacità iniziale di 200 MW, questo elettrolizzatore idrogeno destinerà 100 MW a Gonfreville, e 100 MW alla decarbonizzazione del bacino industriale e dei trasporti all’interno della regione Normandia.
 
Attualmente, si tratta del più grande elettrolizzatore per la produzione di idrogeno con tecnologia PEM in costruzione al mondo. Un passo importante verso un futuro più sostenibile poiché, grazie a questo impianto alimentato con energia rinnovabile, sarà possibile evitare l'emissione di ben 250.000 tonnellate di anidride carbonica all’anno. Non solo, questo elettrolizzatore, anch’esso costruito con tecnologia Siemens, sarà un’ulteriore spinta al mercato dell’idrogeno in Europa: un obiettivo su cui Air Liquide è impegnata in prima linea.

Grazie a progetti come questi, Air Liquide fa la sua parte per contribuire a creare un’economia a basse emissioni di carbonio, sviluppando nuove tecnologie che permettano di produrre idrogeno a partire da fonti rinnovabili su larga scala.