Elettrolizzatore idrogeno e transizione energetica

26/07/2022

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 per la decarbonizzazione. 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 decarbonizzazione dell’industria e della società.

elettrolisi

La tecnologia dell’elettrolizzatore per produrre 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 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.
 
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 2021a 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. 
 
Inoltre, 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.
 
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.
 
Air Liquide ha inoltre ricevuto il supporto dello Stato francese per lo sviluppo del progetto Normand’Hy, che prevede la costruzione di un elettrolizzatore a Port-Jérôme, in Normandia. Con una capacità iniziale di 200 MW, questo elettrolizzatore per la produzione di idrogeno contribuirà alla decarbonizzazione del bacino industriale all’interno della regione. 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.