L'innovazione nel settore ambiente

L’idrogeno e le celle a combustibile rappresentano, per le loro positive caratteristiche energetiche ed ambientali, opzioni molto interessanti per la riduzione delle emissioni e per la diversificazione delle fonti, sia nella generazione di energia che nei trasporti. L’idrogeno, infatti, è un vettore energetico che, pur non essendo di - sponibile in natura, può essere prodotto a partire da fonti diverse, sia fossili che rinnovabili, ed essere utilizzato in numerose applicazioni, sia stazionarie che mobili, potenzialmente senza emissioni dannose per l’ambiente. Le celle a combustibile, a loro volta, sono la tecnologia d’elezione per l’impiego dell’idrogeno nella trazione e nella generazione distribuita, ma possono utilizzare anche altri combustibili (gas naturale, gas derivante da carbone, biomasse, rifiuti) con elevata efficienza e impatto ambientale molto limitato.

La diffusione nel mercato dell’idrogeno e delle celle a combustibile si pone in una prospettiva di medio-lungo termine e richiede, da un lato, che vengano sviluppate tecnologie affidabili e competitive con le potenziali soluzioni alternative, dall’altro che si crei, in generale, un contesto favorevole alla diffusione di vettori e sistemi più sostenibili, anche se più costosi, di quelli attuali. Uno sforzo notevole, e di lungo periodo, è necessario per la ricerca, sviluppo e dimostrazione di soluzioni adeguate; impegnativi programmi in tal senso sono in corso nei principali paesi industrializzati, con il coinvolgimento di numerose aziende, strutture di ricerca e utenti.


Le tecnologie
L’idrogeno è da tempo ampiamente utilizzato nell’industria (circa 50 milioni di tonnellate/anno, corrispondenti a circa il 2% del consumo mondiale di energia), con tecnologie e processi ormai consolidati e adatti a settori di impiego che riguardano in prevalenza la petrolchimica e la chimica di base. Il suo impiego come vettore energetico, in applicazioni sia mobili che stazionarie, pone problemi sostanzialmente diversi rispetto agli usi industriali, in termini di fonti utilizzate, impatto ambientale, costi, sicurezza, accettabilità per gli utenti; richiede quindi che le tecnologie attuali siano sensibilmente migliorate e che tecnologie completamente nuove vengano sviluppate, per cogliere al meglio le potenzialità che questo vettore presenta da un punto di vista energetico e ambientale.

Le barriere da superare riguardano essenzialmente la produzione sostenibile di idrogeno (da fonti rinnovabili o da fossili con separazione e confinamento della CO2), le infrastrutture di trasporto e distribuzione, l’accumulo a bordo dei veicoli, lo sviluppo di un quadro normativo adeguato. L’idrogeno non è una fonte primaria di energia, in quanto si trova in natura solo in combinazione con altri elementi (con ossigeno nell’acqua; con carbonio, idrogeno e ossigeno nella materia vivente e nei combustibili fossili) e va prodotto a partire dai suoi composti. Numerosi sono i processi, e le fonti di energia, utilizzabili per la produzione di idrogeno, a partire dai combustibili fossili, dalle biomasse, dall’acqua, con diverse potenzialità e diverso stato di sviluppo. La produzione da fossili (reforming del gas naturale, gassificazione del carbone) è attualmente la più impiegata (96% dell’idrogeno prodotto), con tecnologie mature anche se ancora migliorabili in termini di efficienza, impatto ambientale e costi, e potrà continuare ad avere un ruolo importante in futuro, se accoppiata alla separazione e al confinamento dell’anidride carbonica prodotta insieme all’idrogeno (Carbon Capture and Storage, CCS). La produzione a partire da energia elettrica mediante elettrolisi (4% della produzione attuale) presenta problemi di efficienza complessiva, a partire dalla fonte primaria, e di costo che rendono difficile prevedere, in prospettiva, una sua ampia diffusione, anche se il miglioramento delle tecnologie attuali (maggiori rendimenti e minori costi) e lo sviluppo di tecnologie avanzate (elettrolisi ad alta temperatura) possono ampliare il campo delle possibili applicazioni: sistemi isolati, accumulo da fonti rinnovabili, utilizzo di energia elettrica a basso costo.

La produzione da fonti rinnovabili richiede ancora, generalmente, un notevole sforzo di ricerca, sviluppo e dimostrazione, pur nella diversità dei processi utilizzabili e dello stato delle varie tecnologie: si va dalla gassificazione delle biomasse, allo stato di impianti dimostrativi, a sistemi ancora nella fase di prototipi da laboratorio, come i cicli termochimici alimentati da calore solare (ma anche nucleare) e i processi biologici di fermentazione, a sistemi allo stato iniziale di sviluppo, come quelli foto biologici e foto elettrochimici. Anche se la produzione su larga scala di idrogeno da fonti rinnovabili può essere prevista solo nel medio-lungo termine, la sua disponibilità resta in prospettiva una condizione essenziale per la diffusione dell’idrogeno come vettore energetico. La distribuzione dell’idrogeno può avvenire in forma gassosa (gasdotti o carri bombolai) e in forma liquida, a seconda della quantità e delle distanze previste. Le diverse opzioni, pur se correntemente impiegate, sono tutte abbastanza costose e richiedono notevoli quantità di energia; vanno quindi ottimizzate per un loro impiego su larga scala. Inoltre, per rendere l’idrogeno disponibile in maniera capillare per le diverse applicazioni è necessario realizzare infrastrutture di trasporto e distribuzione adeguate, con investimenti molto elevati, anche se distribuiti su alcune decadi. L’accumulo dell’idrogeno, fattibile anche con metodi consolidati per applicazioni stazionarie, non trova ancora soluzioni soddisfacenti per l’impiego a bordo di veicoli. Le opzioni attuali, idrogeno gassoso a 350-700 bar e idrogeno liquido, non raggiungono ancora le prestazioni richieste in termini di densità di energia, efficienza e costo. Altre soluzioni, come l’accumulo in materiali solidi, sono potenzialmente molto promettenti, ma richiedono ancora uno sforzo notevole di ricerca e sviluppo.

Le celle a combustibile rappresentano, da un lato, la tecnologia d’elezione per l’impiego dell’idrogeno nelle diverse applicazioni, sia stazionarie che mobili, ma hanno, dall’altro lato, importanti prospettive di sviluppo come sistemi di generazione e cogenerazione ad elevata efficienza e basso impatto ambientale per taglie che vanno dalle centinaia di watt ad alcuni MW, anche con combustibili diversi dall’idrogeno (metanolo, gas naturale, gas derivante da biomasse o rifiuti, ecc.). Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e diverso grado di sviluppo. Le celle ad elettrolita polimerico (PEFC) funzionano a bassa temperatura e utilizzano idrogeno quasi puro; sono impiegate per le applicazioni portatili, la generazione stazionaria di piccola taglia e la trazione. Le celle ad acido fosforico, a carbonati fusi e ad ossidi solidi (rispettivamente PAFC, MCFC, SOFC) operano a temperature più elevate (dai circa 200°C delle PAFC agli 800-1000° delle SOFC) e possono essere alimentate, oltre che da idrogeno, da gas naturale e da gas derivati da biomasse o rifiuti o da gassificazione del carbone. Sono utilizzate per applicazioni di generazione/cogenerazione distribuita, con efficienze elettriche che variano, all’aumentare della temperatura di cella, dal 40% ad oltre il 50% e con una utilizzazione del combustibile superiore all’80% in cogenerazione. Le celle a metanolo diretto (DMFC) rappresentano l’opzione più promettente per sostituire le batterie nell’alimentazione di dispositivi portatili. Le diverse tipologie di cella richiedono tutte, seppur in grado diverso, un miglioramento delle prestazioni e della durata, oltre ad una sensibile riduzione dei costi; su tali aspetti si concentrano in questa fase le attività di ricerca e sviluppo.

Per quanto riguarda, in particolare, la durata, per la trazione si dovrebbe passare dalle 2.000 ore attuali alle 5.000 ore e per le applicazioni stazionarie si dovrebbero raggiungere almeno le 40.000 ore, valore a cui sono prossime solo alcune tecnologie, come PAFC e MCFC. I costi dovrebbero scendere dai 2.000-3.000 €/kW attuali a meno di 100€/kW per i veicoli e da 3.000-12.000 €/kW (a seconda della tecnologia) a 1.000-1.500€/kW per lo stazionario.


I programmi di sviluppo
Impegnativi programmi nel settore dell’idrogeno e delle celle a combustibile sono in corso nei principali paesi industrializzati (quasi un miliardo di Euro/anno di soli finanziamenti pubblici), con il coinvolgimento di numerose aziende, strutture di ricerca e utenti.

Obiettivo di tali programmi è il superamento delle principali barriere, tecniche e non tecniche, che ostacolano la messa a punto di tecnologie affidabili e competitive nel settore e la loro diffusione nel mercato nel medio termine. Di particolare importanza, in tale quadro, l’intervento della Commissione Europea, che ha promosso di recente (2008) la costituzione di una partner - ship pubblico-privata (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking) per la gestione dell’intervento in questo settore nell’ambito del VII Programma Quadro (finanziamenti della Commissione pari a 470 M€ per il periodo 2008-2013, per un costo complessivo del programma vicino al miliardo di Euro). I programmi in corso a livello internazionale hanno consentito di ottenere importanti risultati nei diversi settori di applicazione, anche se siamo ancora, a seconda delle tecnologie, nelle fasi di sviluppo, dimostrazione e prima introduzione nel mercato.

Nel settore dei veicoli a idrogeno le principali industrie automobilistiche hanno realizzato e provato numerosi prototipi di autovetture e di autobus ed alcune di esse (General Motors, Daimler, Honda) prevedono a breve (2010) l’avvio della produzione in serie limitate. In parallelo, è stata avviata la realizzazione delle infrastrutture, con la costruzione di più di 200 stazioni di rifornimento per i veicoli impiegati nei programmi dimostrativi. Una diffusione significativa nel mercato delle autovetture private è prevedibile a partire dal 2015-2020, se verranno raggiunti gli obiettivi di costo per la produzione e distribuzione dell’idrogeno e per le tecnologie per il suo impiego a bordo (accumulo, celle a combustibile) e se verranno messe in atto politiche efficaci per la riduzione della CO2. Per quanto riguarda le applicazioni stazionarie delle celle a combustibile, ad oggi sono state installate e sperimentate, soprattutto in Giappone, diverse migliaia di sistemi residenziali di potenza inferiore a 10 kW, basati principalmente su celle ad elettrolita polimerico (efficienze del 30-40%, gas naturale e GPL come combustibili). Sono stati inoltre realizzati numerosi impianti per generazione/cogenerazione distribuita con potenze comprese da 10 kW ad alcuni MW, con celle ad acido fosforico o celle ad alta temperatura (prevalentemente carbonati fusi), alimentate a gas naturale o gas derivante da biomasse o rifiuti di diversa origine, per una potenza totale installata di oltre 150 MW.

In prospettiva la diffusione nel mercato di questi sistemi dipende dall’evoluzione dei prezzi del gas e dell’elettricità, da eventuali incentivi e dalla capacità di competere con tecnologie alternative, come motori a gas e turbine di piccola taglia. Al 2050 si prevede una capacità installata di 200-300 GW (circa il 5% della capacità totale). La generazione portatile e i sistemi ausiliari e di emergenza rappresentano altri settori importanti per l’impiego delle celle a combustibile, generalmente a metanolo diretto e ad elettrolita polimerico, e sono probabilmente quelli in cui la diffusione avverrà già nel breve termine; nella fase attuale costituiscono, soprattutto con le applicazioni di nicchia, più della metà del mercato dei 7.000-8.000 sistemi a celle a combustibile prodotti ogni anno.



La situazione italiana
La crescita dell’interesse per le tecnologie dell’idrogeno ha prodotto anche in Italia negli ultimi anni l’avvio di numerose iniziative da parte di aziende e Pubblica Amministrazione centrale e locale, oltre ad un aumento della partecipazione delle strutture nazionali ai programmi europei nel settore. Il più importante programma di ricerca è stato quello promosso congiuntamente dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca e dal Ministero dell’Ambiente con l’avvio, nel 2005, dei progetti FISR su idrogeno e celle a combustibile (8 progetti sull’idrogeno e 6 sulle celle a combustibile, di durata triennale, con un finanziamento complessivo di quasi 90 M€ e un costo complessivo di circa 125 M€).

Altri progetti sono stati promossi dal Ministero dell’Ambiente e dalle Regioni. Queste ultime, in particolare, hanno avviato attività, sia di sviluppo che dimostrative, con l’obiettivo di favorire l’inserimento delle aziende locali nel settore e l’introduzione nel mercato di queste tecnologie. Più di recente (2008) lo sviluppo di sistemi con celle a combustibile per cogenerazione è stato inserito nel programma finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico con il Fondo per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico nazionale. Infine, sono in fase di avvio, nell’ambito del programma Industria 2015 del Ministero dello Sviluppo Economico, alcuni progetti triennali su sistemi di cogenerazione di piccola taglia con celle a combustibile e sull’impiego dell’idrogeno nella trazione (autobus, battelli). I programmi in corso a livello nazionale ed europeo coinvolgono numerose strutture di ricerca, ENEA, Istituti del CNR, ERSE (ex CESI Ricerca) e molte università, su tematiche ampie e diversificate, che vanno dai processi di produzione dell’idrogeno, ai materiali e sistemi per accumulo, alle tematiche critiche della sicurezza, del trasporto e della distribuzione, allo studio dell’impiego nei cicli termici e nei motori a combustione interna, allo sviluppo di componenti e sistemi per celle a combustibile.

Numerose aziende italiane sono impegnate nel settore, con posizioni interessanti nei rispettivi campi di intervento:

• per le celle a combustibile, sviluppano stack e sistemi Exergy Fuel Cells (celle a elettrolita polimerico), Ansaldo Fuel Cells (celle a carbonati fusi) e SOFCPower (celle ad ossidi solidi); altre aziende sviluppano componenti di cella (Industrie De Nora, FN) o sistemi (Electro Power Systems, ICI Caldaie, MTS, TurboCare);
  
  
• il Gruppo Fiat, attraverso il CRF, ha sviluppato diversi prototipi di veicoli a idrogeno (autobus e vetture) e sta realizzando una flotta di Panda, che verrà provata nell’ambito di programmi promossi dalle Regioni; altre attività nel settore dei veicoli sono condotte da PIEL, Micro-Vett e Piaggio;
  
  
• nel settore della produzione e distribuzione dell’idrogeno lavorano aziende petrolifere, come ENI, e distributori di gas tecnici, come Sapio, SOL e altri; aziende elettriche, come ENEL, conducono attività di sviluppo nel settore della produzione di idrogeno da carbone e dell’impiego dell’idrogeno e di sue miscele nelle turbine.
  
  

Dal quadro sintetico riportato in precedenza emerge che negli ultimi anni c’è stato un impegno notevole nel settore (50-60 M€/anno), da parte sia delle strutture industriali che di quelle di ricerca, impegno sostenuto prevalentemente da finanziamenti pubblici, sia nazionali che europei. Tale impegno, pur se inserito solo in parte in un quadro nazionale organico e coordinato, ha fatto crescere competenze e tecnologie che costituiscono una base importante per consentire al nostro Paese di giocare in prospettiva un ruolo di primo piano in questo campo.

Per il futuro, con i progetti FISR in fase di conclusione e senza che si intravedano iniziative analoghe per il medio termine, potrà essere difficile mantenere un impegno dello stesso livello, soprattutto per le attività di ricerca. In particolare, la limitata di - sponibilità di finanziamenti pubblici potrebbe portare ad un ridimensionamento sensibile nel settore dell’idrogeno, che richiede uno sforzo di ricerca e sviluppo di lungo periodo, in linea con i segnali in tal senso che si avvertono in questa fase a livello internazionale (USA).