Home / Approfondimenti / Cogenerazione a idrogeno: un’opportunità per la transizione energetica
Già oggi la cogenerazione offre benefici in termini di efficienza energetica e di minori emissioni. Abbinare la tecnologia con l’idrogeno, specie verde, può essere ancora più fruttuoso. Ecco perché
A cura di: Andrea Ballocchi
La cogenerazione a idrogeno può fornire un contributo significativo nel percorso verso la decarbonizzazione della produzione energetica e verso l’efficientamento energetico dei settori industriali e residenziali. Già oggi, la cogenerazione fornisce il 12% dell’elettricità e il 16% del calore in Europa, sfruttati in vari settori.
Sebbene i sistemi di cogenerazione siano alimentati principalmente da combustibili fossili, in particolare carbone e prodotti a base di carbone (59,4%) e gas naturale (32,3%), la cogenerazione fornisce un sostegno alle fonti rinnovabili e alla transizione energetica: infatti, un cogeneratore può funzionare con qualsiasi combustibile rinnovabile.
Attualmente, il 27% dei combustibili utilizzati nella cogenerazione in Europa sono rinnovabili, principalmente biomasse e biogas. Ma le potenzialità dell’impiego dell’idrogeno sono già evidenziate in prospettiva: secondo la Cogen World Coalition (che rappresenta i principali attori della cogenerazione al mondo, annoverando tra i suoi membri anche l’associazione europea Cogen Europe) il contesto normativo incoraggerà il passaggio dai combustibili fossili a fonti energetiche pulite e rinnovabili come il solare termico, il geotermico, i biocarburanti e l’idrogeno. “Possiamo aspettarci di vedere un mercato in crescita per impianti di cogenerazione più piccoli (fino a 10 MW di capacità), compresi i sistemi che utilizzano celle a combustibile, che funzionano a idrogeno”.
L’idrogeno, la cui combustione produce acqua senza emissioni di CO2, è un elemento chiave per lo sviluppo di un’economia a zero emissioni. Per la sua produzione si utilizza energia elettrica da fonti rinnovabili che alimenta un processo di elettrolisi. Questo, tuttavia, è un processo ad alta intensità energetica, non molto conveniente dal punto di vista energetico, a meno che non venga utilizzata l’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, che non sarebbe comunque sfruttata al momento della sua generazione a causa della natura non programmabile delle energie rinnovabili. Trasformando il surplus di energia inutilizzato al momento della generazione tramite elettrolisi è possibile immagazzinare questa energia come idrogeno verde per sfruttarla quando la domanda aumenta o c’è una minore produzione da fonti rinnovabili. Questo è l’elemento di interesse per la cogenerazione a idrogeno.
Ci sono diverse aziende che propongono soluzioni in grado di sfruttare in parte l’idrogeno nei propri sistemi di cogenerazione, ma solo una propone una tecnologia 100% hydrogen ready. Si chiama 2G Energy AG ed è un produttore mondiale di impianti di cogenerazione per la fornitura decentralizzata di energia e calore. Le sue soluzioni utilizzano motori a gas naturale, biometano, biogas, gas di depurazione, gas di discarica o idrogeno. «A oggi siamo gli unici al mondo ad avere una ventina di impianti attivi, funzionanti al 100% a idrogeno, con parecchie migliaia di ore di funzionamento», spiega Alberto Icardi, Sales Manager di 2G Italia.
Il cogeneratore a idrogeno 100% ready può funzionare anche con miscele gas naturale-idrogeno, è bene dirlo. In ogni caso, l’opportunità di funzionare esclusivamente con H2 già c’è, e diventa interessante in futuro, quando la possibilità di utilizzare il vettore energetico “verde” sarà diffusa.
La cogenerazione è la produzione simultanea di energia elettrica e calore utile. È una tecnologia molto efficiente, anche chiamata Combined Heat and Power (CHP) ed è definita come la generazione sequenziale di due diverse forme di energia utile da un’unica fonte di energia primaria, tipicamente energia meccanica ed energia termica. La prima può essere utilizzata per azionare un alternatore per la produzione di energia elettrica (funzione prevalente) o apparecchiature rotanti come motori, compressori, pompe o ventilatori per fornire vari servizi. L’energia termica può essere utilizzata sia per applicazioni di processo dirette che per la produzione indiretta di vapore, acqua calda, aria calda per gli essiccatori o acqua refrigerata per il raffreddamento del processo.
Come funziona la cogenerazione? Il sistema è costituito da un motore termico abbinato a un generatore elettrico. In una centrale elettrica, il calore rimanente nella generazione di elettricità viene rilasciato nell’ambiente, principalmente attraverso torri di raffreddamento o acqua di raffreddamento, mentre in un impianto di cogenerazione il calore viene recuperato per essere utilizzato nelle abitazioni, nelle imprese e nell’industria. “Gli impianti di cogenerazione possono raggiungere livelli di efficienza energetica di circa il 90% e piccoli impianti di cogenerazione possono anche essere un modo efficace per fornire energia ad aree remote senza la necessità di costose infrastrutture di rete”, spiega la Commissione Europea.
Sono molteplici i vantaggi offerti dalla cogenerazione: maggiore efficienza energetica, minori emissioni (la cogenerazione risparmia ogni anno 200 milioni di tonnellate di CO2 in Europa), costi energetici ridotti, maggiore resilienza del sistema energetico, duttilità di offerta (la cogenerazione è disponibile in taglie da 1kW a quasi 1GW).
Secondo CWC, la capacità globale di cogenerazione è cresciuta di circa il 30% nel periodo di 10 anni dal 2009 al 2019. Secondo gli ultimi dati (2019), la produzione annua dei sistemi di cogenerazione a livello globale ammonta a 11.200 TWh di calore e 4.159 TWh di energia elettrica, che rappresentano poco più del 15% della produzione totale di energia elettrica.
Illustrate caratteristiche e pregi della cogenerazione, resta da capire ora come funziona un cogeneratore a idrogeno. Il funzionamento della macchina è pressoché identico – specifica Icardi – al funzionamento di una soluzione funzionante a gas naturale, contando su un motore endotermico. Ci sono tre livelli di impiego dell’idrogeno per la cogenerazione, per ciò che concerne 2G: una prima che prevede una percentuale al di sotto del 30% di volume d’idrogeno nella miscela. Questa quantità può essere gestita direttamente dal motore base a gas naturale. Superata questa soglia e fino al 60% si rende necessaria la realizzazione di una rampa gas dedicata all’idrogeno, con iniezione diretta in camera di combustione. Se vogliamo superare questa quota, si rendono necessari ulteriori interventi sulla camera di combustione, in quanto l’idrogeno ha una temperatura di combustione molto elevata. Questo sollecita in maniera diversa l’organo meccanico e rende necessario l’impiego di materiali diversi nell’impianto.
«Questi due interventi di trasformazione impattano per il 15% circa sul costo iniziale della macchina a gas naturale. Inoltre occorrono una centralina a bordo macchina e uno specifico algoritmo che verifica la disponibilità di idrogeno in base alle aree di stoccaggio a monte, permettendo alla macchina di modulare in maniera continua», specifica il tecnico 2G Italia.
La domanda che ci si pone è: perché usare idrogeno nella cogenerazione? Quali sono i benefici? «Il principale, fondamentale, è quello ambientale: il vettore energetico offre la possibilità, in fase di combustione, di non emettere CO2. L’idrogeno reagisce con l’aria comburente generando vapore acqueo come “gas di scarico”».
La potenzialità dell’idrogeno è quella di essere stoccato, dopo essere prodotto grazie all’elettrolisi generata grazie all’elettricità generata da fonti rinnovabili. Può diventare interessante nel momento stesso in cui ci sia un eccesso di produzione rispetto alla domanda. «È possibile stoccare energia potenziale più facilmente rispetto alle batterie sotto forma di idrogeno. Quindi la “quota a parte” dell’energia elettrica prodotta da fotovoltaico, eolico ecc. si può utilizzare in vari modi».
Questo è il percorso ideale perseguito dalle hydrogen valley, che stanno nascendo un po’ in tutta Italia e nel mondo, per servire a diversi scopi che spaziano dall’industria ai trasporti. La cogenerazione a idrogeno trova spazio a valle di questo processo già oggi possibile, come evidenzia Icardi: «la stragrande maggioranza dei cogeneratori al 100% sono attivi con idrogeno prodotto da fonti rinnovabili, in primis eolico. Nel momento in cui questo vettore sarà competitivo economicamente non ci saranno limiti al suo impiego».
I benefici della cogenerazione potrebbero essere colti dalle Pmi, che costituiscono la stragrande maggioranza del tessuto produttivo italiano. Ma già oggi la cogenerazione può essere una scelta conveniente: «le piccole e medie imprese possono vedere ridotte le proprie bollette elettriche e gas anche del 20-30% quindi con l’installazione di un cogeneratore. In questo senso, la flessibilità di taglia degli impianti può venire in aiuto a qualsiasi comparto: penso, per esempio, all’agroalimentare, dai pastifici ai caseifici».
Seppure offra benefici immediati, la cogenerazione non ha ancora conosciuto in Italia e in Europa lo sviluppo che ci si attenderebbe: Italcogen-Anima (Confindustria) segnalava solo qualche mese fa la delicata situazione economica e regolatoria nazionale ed europea. È un peccato, ma le prospettive di mercato guardano con ottimismo alla cogenerazione, che può dare il proprio contributo nell’affrontare il cambiamento climatico «sostenendo la transizione verso fonti di combustibili rinnovabili e decarbonizzate come il biometano (o Renewable Natural Gas) e l’idrogeno pulito», concludeva a dicembre il presidente di CWC, David Gardiner, alla presentazione del report.
Proprio sull’idrogeno, specie quello verde, la tendenza in atto a livello globale è di puntare su una sua cospicua produzione nel prossimo futuro: la Cina lavora per conquistare il predominio sugli elettrolizzatori, segnala Bloomberg.
Gli USA, attraverso il proprio Dipartimento dell’Energia, hanno stabilito iniziative per accelerare la produzione nazionale la distribuzione e l’uso di idrogeno pulito, stanziando 9,5 miliardi di dollari.
L’Europa da tempo si è detta decisa a puntare sull’idrogeno: la stessa strategia esterna dell’UE per l’energia, ricordata alla presentazione del piano REPowerEU, segnala che nel Mediterraneo e nel Mare del Nord saranno sviluppati importanti corridoi per l’idrogeno. Inoltre va ricordato l’obiettivo della European Hydrogen Backbone che punta, entro il 2030, a realizzare fino a cinque corridoi di approvvigionamento, per una lunghezza complessiva di 28mila chilometri. Man mano che i grandi corridoi di approvvigionamento si uniranno, entro il 2040 si può prevedere una dorsale europea centrale dell’idrogeno capace di collegare 28 paesi europei, raggiungendo una lunghezza totale di quasi 53mila chilometri, composta per circa il 60% da infrastrutture esistenti riconvertite e per il 40% da nuovi gasdotti per l’idrogeno.
C’è poi un punto fondamentale della strategia energetica dell’UE da ricordare: la Commissione europea ha proposto entro il 2030 di produrre 10 milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile e di importarne 10 milioni di tonnellate. Sono tutti fattori che potranno giocare a favore non solo della decarbonizzazione e della transizione energetica, ma anche dello sviluppo della cogenerazione a idrogeno.
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