Sfide e soluzioni dell’idrogeno nei settori Hard to abate

Ci sono due grandi macrocategorie di applicazioni industriali che necessitano di idrogeno verde per rendersi sostenibili:

• i settori che utilizzano combustibili fossili

• i settori che già utilizzano idrogeno ma proveniente a sua volta dai combustibili fossili senza cattura di CO₂

La prima categoria utilizzerebbe l’idrogeno come combustibile, mentre la seconda già usa idrogeno di derivazione fossile ma come reagente. Attualmente, circa il 95% del consumo nazionale di idrogeno viene prodotto e utilizzato principalmente nelle raffinerie e nell’industria petrolchimica, mentre il 99% del suo utilizzo è come materia prima.

Le applicazioni che necessiterebbero idrogeno per sostituire i combustibili fossili sono principalmente la produzione di acciaio, vetro, cemento, ceramica e carta. In queste applicazioni è necessario raggiungere elevate temperature e, sebbene sia teoricamente possibile raggiungerle anche grazie a forni e reattori elettrici, l’elettrificazione porterebbe minore efficienza e affidabilità.

L’idrogeno è stato preso in considerazione per i settori hard-to-abate anche dalle istituzioni, oltre che dai privati, con il PNRR che ha stanziato 1 miliardo nella realizzazione di progetti e interventi finalizzati alla sostituzione del 10% del metano e dei combustibili fossili utilizzati nei processi produttivi.

• Snam e RINA hanno curato il progetto pilota alla Forgiatura di Rho del gruppo GIVA dove è stata utilizzata una miscela metano e idrogeno al 30% fornita dal gruppo Sapio per preriscaldare i forni;
• Sempre RINA sta coordinando il progetto europeo DEvH2forEAF  per lo sviluppo di un nuovo bruciatore a idrogeno;
• Tenaris, Edison e Snam annunciano nel 2021 di voler adottare idrogeno verde nel sito di Tenaris di Dalmine installando un elettrolizzatore da 20 MW;
• Enel Green Power e Acciaierie di Sicilia intendono sostituire ben il 30% del gas naturale impiegato nel forno di riscaldo con idrogeno;

• Iris Ceramica Group ha deciso nel 2021 di collaborare con Snam per la realizzazione della prima fabbrica di ceramiche a Castellarano alimentata al 100% da idrogeno verde;
• Nel 2022 Atlas Concorde ha investito 60 milioni di euro per l’ampliamento dello stabilimento di Modena al fine di rendere la produzione di gres porcellanato predisposta all’uso di idrogeno come combustibile;
• Ceramica Mediterranea ha intrapreso una collaborazione con Enel per sostituire il GPL in una delle linee di cottura.

L’idrogeno nel vetro e nel cemento

Vetro:

• Le storiche vetrerie di Murano si stanno accingendo a sviluppare forni a idrogeno grazie alla collaborazione tra la Sezione Vetro di Confindustria Venezia, Hydrogen Park e la Stazione Sperimentale del Vetro;
• Il Gruppo Bormioli, in collaborazione con RINA e Snam, sta sperimentando l’introduzione di percentuali crescenti di idrogeno nei forni esistenti per capire gli attuali limiti e sviluppare forni adatti ad operare con il 100% di idrogeno.
• Enel Green Power e RCR Cristallerie Italiane (azienda specializzata nel cristallo ecologico) stanno collaborando nell’utilizzo di idrogeno per sostituire il metano nel processo di lucidatura a fuoco.

Cemento:

• Buzzi Unicem in collaborazione con Italgas compirà uno studio di fattibilità per sondare la possibilità di produrre metano, partendo da idrogeno verde e CO2 catturata prima di essere emessa in atmosfera, da utilizzare nella produzione di cemento. L’utilizzo diretto di idrogeno è al momento problematico in quanto la fiamma dell’idrogeno ha una minor radiazione rispetto a quella del metano.

Le principali applicazioni industriali dove l’idrogeno è utilizzato come reagente:

• Raffinazione del petrolio: l’idrogeno viene utilizzato in processi di raffinazione conosciuti come “cracking” o “hydrocracking”, nei quali gli idrocarburi a elevato peso molecolare del petrolio vengono trasformati in idrocarburi più leggeri utilizzati come combustibili per la trazione, principalmente benzina e gasolio.

• Produzione di ammoniaca: l’ammoniaca, NH3, è ad oggi prodotta tramite il processo di sintesi Haber-Bosch che pone a reazione azoto e idrogeno con un catalizzatore ferroso. L’ammoniaca è principalmente utilizzata nella produzione di fertilizzanti, dove contribuisce ad arricchire il terreno di azoto. Ecco la sua formula:

N2 + 3H2 → 2NH3

• Produzione di metanolo: l’idrogeno è utilizzato anche per la produzione di metanolo per mezzo di una reazione catalitica con CO a elevate temperature (circa 250°C) e pressioni (50-100 bar), illustrata di seguito:

CO + 2H2 → CH3OH 

• Riduzione diretta del ferro (DRI): la produzione del ferro necessita che l’ossido di ferro venga ridotto al fine di rimuovere l’ossigeno. Attualmente si utilizza spesso il carbone che però comporta la produzione di 2 tonnellate di CO2 per tonnellata di ferro o, meno frequentemente, il metano che comporta solamente 0,5 tonCO2/tonFe. L’utilizzo di idrogeno verde, sebbene tecnicamente fattibile, risulta ancora molto costoso rispetto all’utilizzo del carbone.

L’idrogeno rientra quindi in una parte importante di processi industriali in qualità di reagente; come già detto, la maggior parte ha origine fossile e, conseguentemente, è causa di grandi emissioni di CO₂. La penetrazione dell’idrogeno verde, sia come reagente che come combustibile, sarà una delle leve più efficaci per la decarbonizzazione dei settori hard to abate.

I principali ostacoli:

• Costi ancora troppo alti rispetto ai combustibili convenzionali

• Impatti sui prezzi finali dei beni (carta, ceramica, ferro, ecc.)

• Necessità di politiche statali per incentivare la transizione energetica industriale