Combustione sostenibile di idrogeno e transizione energetica

Eugenio Giacomazzi - ENEA

L'obiettivo di questo articolo è quello di condurre il lettore in un percorso in cui collocare e giustificare il ricorso alla combustione sostenibile, ed in particolare a quella che ricorre a miscele ad elevato contenuto di idrogeno, nel contesto della decarbonizzazione e della transizione energetica. Esamineremo quindi le problematiche dell'idrogeno, a partire dalla sua disponibilità, produzione e relativi costi, per arrivare al suo attuale utilizzo ed alle applicazioni di combustione, focalizzandoci sul settore generazione termo-elettrica con turbine a gas ed in quello "hard-to-abate", cioè l'industria che fa un uso intensivo dell'energia ed in cui è più difficile abbattere le emissioni

DECARBONIZZAZIONE E TRANSIZIONE ENERGETICA

Gli effetti del cambiamento climatico sono sotto gli occhi di tutti [1 Nel PDF ndr]: dall'aumento delle temperature, allo scioglimento dei ghiacciai, all'innalzamento del livello del mare, per non parlare dei più frequenti eventi atmosferici estremi, dell'acidificazione degli oceani, delle alterazioni degli ecosistemi, delle minacce per l'agricoltura, degli impatti sulla salute, e dei disagi sociali ed economici.

Molti paesi e molte aziende hanno quindi fissato obiettivi ambiziosi per raggiungere lo zero delle emissioni nette di carbonio entro un certo anno, di solito il 2050 o prima, ed hanno adottato politiche per supportare la cosiddetta "transizione energetica", cioè il passaggio da sistemi energetici tradizionali basati sui combustibili fossili ad alternative più sostenibili e a basse emissioni di carbonio.

Le azioni introdotte per contrastare questi effetti sono di vario tipo: diffusione e sviluppo di fonti di energia rinnovabile [2]; incremento dell'efficienza energetica [3]; cambio di alcune abitudini di vita [4]; elettrificazione [5]; cattura della CO2, sua valorizzazione ed utilizzo (che include anche lo stoccaggio in materiale solido), o "sequestrazione" geologica [6]; utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico [7].

Occorre osservare che quando si parla di idrogeno, se ne parla in senso ampio, cioè si includono miscele di gas naturale arricchite di idrogeno (HENG, Hydrogen Enriched Natural Gas), ammoniaca e miscele derivate dal suo cracking parziale (NH3/H2/N2), ed anche altri combustibili, come cherosene e metano sintetici.

Le principali applicazioni dell'idrogeno sono due: celle a combustibile (fuel cell), e motori termici a combustione, forni e caldaie industriali.

Anche se parliamo di combustione sostenibile, quindi a basso impatto ambientale, ha senso domandarsi perché oggi, trovandoci in un contesto votato all'incremento delle energie rinnovabili, dobbiamo ancora parlare di combustione ed investirci. Potrebbe sembrare un'azione anacronistica e fuori tema, ma in realtà la combustione è indispensabile in alcuni settori: nella generazione termo-elettrica [8], in particolare quella basata su turbine a gas, che sono fondamentali per la stabilizzazione della rete elettrica nella transizione energetica; nell'industria hard-to-abate [9], perché non tutti i processi, in particolare quelli che richiedono elevate temperature, possono essere elettrificati; nel trasporto [10] su lunga distanza, in particolare quello pesante su strada, quello navale, e quello aereo, già a partire dal medio raggio ma soprattutto nel lungo raggio.

È importante osservare che nel contesto della decarbonizzazione e transizione energetica, le tecnologie basate su una combustione sostenibile non sono in competizione con le energie rinnovabili, anzi ne sono a supporto garantendone la sostenibilità e la diffusione, come evidente nel continuo servizio di back-up per la stabilizzazione della rete elettrica, richiesto già da qualche anno alle turbine a gas.

Queste sono macchine molto flessibili, sia in termini di variazione di carico che di combustibili con cui possono essere alimentate:
secondo lo studio riportato in [11], il sistema elettrico europeo necessiterà più del doppio delle attuali sorgenti di flessibilità per
sostenere il previsto incremento delle fonti di energia rinnovabili non programmabili (VRES, Variable Renewable Energy Sources); inoltre, il contributo delle turbine a gas alla flessibilità del sistema elettrico europeo è previsto essere importante anche nello scenario al 2040 redatto dalla IEA [12]. Al tempo stesso, l'applicazione di una combustione sostenibile riduce le emissioni di importanti processi produttivi.

Nella transizione energetica si richiede che queste tecnologie di combustione non siano solo a basso impatto ambientale, ma anche "fuel-flexible", cioè in grado di operare con miscele di idrogeno in modo stabile, sicuro ed affidabile, in condizioni di variabilità temporale del contenuto di idrogeno.

La specifica richiesta di variabilità temporale deriva dal fatto che si vorrebbe produrre idrogeno verde, cioè mediante elettrolisi con energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili non programmabili che, essendo legate a sole e vento, per loro stessa natura sono temporalmente variabili.

Per essere ambientalmente sostenibile, la combustione deve ridurre non solo le emissioni di CO2, il cosiddetto "carbon footprint", ma al tempo stesso garantire limitate emissioni di altri inquinanti, come NOx, CO ed incombusti.

Adottando miscele HENG, per avere un impatto non trascurabile sulla riduzione della CO2 è importante osservare che occorrono elevati contenuti di idrogeno.

In questo periodo, data la forte concorrenza tra i vari produttori di turbine a gas, si sentono spesso notizie sul raggiungimento di certe percentuali di idrogeno bruciate con successo nelle macchine: si tratta di frazioni volumetriche.

Poiché l'idrogeno è una molecola leggera, c'è una forte differenza tra la sua frazione volumetrica e quella massica, come mostrato dalla linea rossa in Fig. 1 relativa ad una miscela di metano ed idrogeno [13], con cui si può schematizzare una miscela HENG; ad esempio, l'80% in volume di idrogeno corrisponde a circa il 35% in massa; in tali condizioni, la riduzione della CO2 emessa rispetto al caso di solo metano, è del 65%; al 90% in volume di idrogeno, tale riduzione diventa di circa il 73%.

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