Tesi - idrogeno come vettore energetico -

Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

Ingegneria - Architettura

Dipartimento di ingegneria industriale

Corso di laurea in ingegneria energetica

“Analisi costi-benefici dell’idrogeno nei trasporti come vettore dell’attuale transizione energetica”

Tesi di laurea in Macchine

Candidata: Laura Cavalli
Relatore: Prof. Gian Marco Bianchi
Correlatrice: Prof.ssa Stefania Falfari
Anno Accademico 2020/21

Alla mia famiglia: Silvano, Nadia, Febia
Ai miei nonni: Ugo, Angela, Tina, Giuseppe

Sommario

• 1. Premessa ................................................................................................................................. 4
  • 1.1 Analisi energetica fino ai giorni nostri ....................................................................................... 8
  • 1.2 Limiti delle rinnovabili ............................................................................................................. 12
  • 1.3 Obiettivi energetici in Italia ...................................................................................................... 17
  • 1.4 Il PNRR .................................................................................................................................... 20
• 2. L’idrogeno ........................................................................................................................... 22
  • 2.1 Idrogeno come vettore e non fonte energetica ......................................................................... 22
  • 2.2 Caratteristiche dell’idrogeno .................................................................................................... 23
  • 2.3 L’idrogeno nel panorama italiano ............................................................................................ 24
  • 2.4 La situazione globale dell’idrogeno oggi ................................................................................. 25
• 3. Tipi di idrogeno ................................................................................................................. 26
  • 3.1 Idrogeno grigio e nero .............................................................................................................. 26
  • 3.2 Idrogeno verde .......................................................................................................................... 29
  • 3.3 Idrogeno blu ............................................................................................................................. 32
  • 3.4 Idrogeno viola........................................................................................................................... 33
    • 3.4.1 Il caso Francia ................................................................................................................... 36
    • 3.4.2 Elettrolisi ad alta temperatura utilizzando calore generato dal nucleare ......................... 37
  • 3.5 Costi e impatti dei tipi di idrogeno ........................................................................................... 38
• 4. Sistema di stoccaggio dell’idrogeno ................................................................ 41
• 5. Infrastrutture e sistemi di trasporto dell’idrogeno ...................................... 44
• 6. Idrogeno nei trasporti ................................................................................................ 46
  • 6.1 Analisi consumi/emissioni/costi compact class suv, 1600 kg, 500 km range, ciclo WLTP .... 49
  • 6.2 Analisi consumi/emissioni/costi veicolo commerciale leggero, 2250 kg, 500 km range, ciclo WLTP ............................................................................................................................................. 54
  • 6.3 Analisi consumi/emissioni/costi veicoli commerciali pesanti, 35t, 800km range, ciclo WLTP ........................................................................................................................................................ 58
  • 6.4 Comparazione generale powertrain .......................................................................................... 63
• 7. Futuro dell’idrogeno .................................................................................................. 63

Fonti ................................................................................................................................................... 67

Indice delle figure .............................................................................................................................. 70

Indice delle Tabelle ............................................................................................................................ 72

Premessa

“L’estate è appena iniziata nell’emisfero boreale, e già i sistemi legati all’erogazione di elettricità stanno a fatica fronteggiando un forte stress legato alle ondate di calore e poche precipitazioni. Queste sfide sottolineano l’urgenza di avere un forte e ben strutturato piano politico-economico per investire sulla sicurezza dei sistemi elettrici, che supportano case, uffici, fabbriche, ospedali, scuole e altre parti fondamentali per la nostra società ed economia. Questo significa rendere i nostri sistemi elettrici più resilienti ed efficienti, capaci di far fronte al cambiamento climatico, incorporando e aumentando la percentuale di fotovoltaico ed eolico, che saranno cruciali per raggiungere le “emissioni zero” in tempo per prevenire impatti ancora peggiori sul nostro clima [...] Le ondate di calore mettono sotto pressione il sistema elettrico in vari modi: incrementano la domanda di energia in quanto le persone accendono i condizionatori, fanno funzionare di più vari elettrodomestici, che si devono auto-raffreddare, peggiorano i rendimenti di impianti come quelli a carbone, gas naturale e solare. Riducono la quantità di acqua potabile disponibile e spesso causano dei blackout per superamento eccessivo di potenza. Se tutto ciò inoltre avviene in una vasta regione, non vi è più la possibilità di poter attingere dalle risorse vicine, in quanto tutto un sistema è coinvolto” - Dr Fatih Birol, Executive director della IEA (International Energy Agency)

I cambiamenti climatici ormai evidenti sull’intera superficie terrestre sono la diretta conseguenza del “Global warming”, il veloce e repentino riscaldamento globale dovuto alle attività antropiche protrattasi dalla prima rivoluzione industriale ad oggi. Le emissioni di gas serra come la CO2 e il metano, aumentate nel corso del tempo, hanno contribuito a incrementare il fenomeno naturale dell’effetto serra, con conseguenti anomalie della temperatura che delineano un trend crescente nel corso degli anni.

Figura 1: Andamento temperatura annuale media mondiale [27]

L’ultimo rapporto dell’IPCC sul clima [28] - il gruppo intergovernativo sul cambiamento climatico – stima che il raggiungimento della “soglia di non ritorno”, ovvero +1.5°C rispetto al periodo preindustriale, avverrà 10 anni in anticipo rispetto a quanto stimato nel vicino 2018: nel 2030 invece che nel 2040. Secondo lo scenario più ottimistico, ovvero procedendo con una immediata e drastica riduzione delle emissioni, entro il 2050 verrà comunque superata anche la soglia dei +2°C. Sono necessari dai 20 ai 30 anni perché le temperature si stabilizzino, arrivando fino a +4°C entro fine secolo. Oggi 2021, le concentrazioni di CO2 hanno raggiunto 410 ppm; l’anomalia media mondiale è +1.1°C, come riportato in figura 1.

Le conseguenze di questo +1.1°C sono siccità prolungata, incendi (si veda figura 2), precipitazioni repentine e concentrate con conseguenti inondazioni (Germania, 156 vittime), anomalie climatiche con temperature che superano i 50°C in certe parti del globo nel 2021: in Canada, Siberia e Sicilia si sono sfiorati i 50°C e 48°C. Parti per milione

Figura 2: Mappa NASA sui roghi in corso in data 10.08.2021 [27]

Nel rapporto dell’IPCC [28] si sottolinea inoltre come alcune conseguenze del riscaldamento globale siano ormai irreversibili, come l’innalzamento del livello del mare, che raggiungerà quota 50 cm entro il 2100 (attualmente a quota 20 cm rispetto al XX sec). Per la prima volta, nel rapporto non si escludono fenomeni come il totale scioglimento della calotta antartica.

In figura 3 è illustrato il trend di emissioni di CO2 dal 1990 ad oggi in termini di giga tonnellate annue, con un aumento costante del 2.7% annuo.

Figura 3: Trend emissioni CO2 mondiali medie [19]

Per tutto questo secolo, la temperatura continuerà ad aumentare, per cui è necessaria una drastica riduzione di emissioni di CO2 ed inquinanti da parte di tutte le nazioni mondiali. Se, nonostante ciò, economie come quella cinese e quella indiana in forte crescita vedono aumentare le emissioni di CO2 atmosferiche, dall’altra Stati Uniti e soprattutto Europa si stanno spingendo verso una posizione di leadership nella decarbonizzazione e nell’ efficientamento energetico. In figura 4 a sinistra sono riportate le emissioni di CO2 da parte di tutti i paesi, a destra sono riportate le percentuali di emissioni complessive in funzione dei settori emittenti (industria, riscaldamento, trasporti, altro).

Si evidenzia come il 50% delle emissioni globali siano prodotte dall’Asia, seguita da Europa e Nord America con un 34% sul totale. I settori più impattanti sono industria, trasporti e riscaldamento, che assieme sono responsabili del 91% di tutte le emissioni di CO2.

Figura 4: Distribuzione emissioni per paesi e per settori, fonte [19]

Nel 2015 è stato siglato l’accordo di Parigi, primo accordo mondiale sul clima, giuridicamente vincolante tra i 195 paesi partecipanti. Ognuno di essi si è impegnato ad operare in modo da contenere l’aumento della temperatura media mondiale. Nonostante ciò, gli obiettivi di carbon neutrality prefissati sono ancora molto lontani e quasi irraggiungibili, e per avvicinarcisi servono tecnologie che possano coniugare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili e vettori energetici che siano altrettanto basso-emissivi, per poter permettere ad un’economia di scala di essere sia efficiente che poco impattante sull’ambiente.

1.1 Analisi energetica fino ai giorni nostri

La situazione energetica è strettamente dipendente da:

• Fonti energetiche disponibili
• Domanda e consumo di energia

Secondo uno studio della Commissione Europea, la richiesta annua di energia aumenta gradualmente del 1.6% annuo. Un ulteriore fattore per l’analisi della situazione energetica è l’effetto ambientale che una certa fonte energetica genera, come inquinamento del suolo o dell’atmosfera. Nel 1996, il consumo di energia mondiale era di 8380 milioni di TOE (tonnellate equivalenti di petrolio), più di 97 mila TWh, il 3% in più del 1995. Il 90% dell’energia era originato con le fonti fossili, e il rimanente 10% era suddiviso tra nucleare - 7.5% - e idroelettrico - 2.6%. Dieci anni dopo, nel 2006, il consumo di energia mondiale è arrivato a quasi 11 mila milioni di TOE.

Figura 5: Consumo di energia nel mondo nel 2006 [Mtep] e fonti utilizzate [contributi percentuali] [17]

In figura 5 è mostrata la ripartizione dell’energia mondiale e i complessivi consumi per continente nell’anno 2006. Le fonti fossili continuano ad essere preponderanti nel panorama energetico, per via della loro economicità e abbondanza; le fonti rinnovabili sono poco competitive e costituiscono appena il 5% del paniere energetico, quota condivisa col nucleare.

In figura 6 è mostrato invece il consumo globale di energia nel 2018, e la sua origine. Sono stati consumati in totale 14300 milioni di TOE, 1 milione e 714 mila TWh. Quasi l’80% di questa deriva da fonti fossili. In 22 anni la quota di fossili si è ridotta appena del 10%, sostituita dalle rinnovabili.

Figura 6: Percentuali utilizzo fonti energetiche anno 2019 [25]

Per avere un miglior quadro delle effettive “dimensioni” delle singole percentuali di fonti energetiche, il grafico di figura 7 indica lo scenario temporale della domanda di energia e della sua ripartizione dal 1850 al 2000.

Figura 7: Andamento del consumo mondiale di energia anni 1850-2000 [17]

L’Energy Information Administration – EIA statunitense prevede una crescita ulteriore del 57% del consumo mondiale di energia dal 2004 al 2030, specialmente nei paesi non OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development), come visualizzato nel grafico di figura 8.

Figura 8: Consumo di energia primaria globale in BTU, british thermal units, per paese [6]

In un tale quadro di crescita, che vede simultaneamente aumento della popolazione, del welfare e dei consumi, sarà estremamente importante la messa in fase di una strategia energetica che coinvolga non solo l’implementazione di fonti di energia sicure, affidabili, in grandi quantità per sopperire alla domanda crescente di energia. Queste allo stesso tempo devono essere ecologiche e basso inquinanti, per poter poi non subire gli effetti devastanti in termini di costi economici, di adattamento e vite umane dovuti al riscaldamento globale.

1.2 Limiti delle rinnovabili

Nonostante le rinnovabili siano cresciute di più ultimamente rispetto alle altre tipologie di fonti energetiche, queste assieme non contribuiscono a coprire più di un terzo dell’incremento di energia avvenuto, come riportato in figura 9.

Figura 9: Crescita globale delle rinnovabili, in giallo, comparata coi combustibili fossili, in grigio, anni 2013-2018, dati IEA [7]

La quota di energia rinnovabile si attesta a oltre il 26% della totale fonte energetica nella generazione di energia elettrica. I settori termico (riscaldamento residenziale e commerciale) e dei trasporti vedono però una quota molto marginale delle rinnovabili, al 10% e 3.3% dell’intera capacità di energia richiesta, come mostrato nel grafico in figura 10.

Figura 10: Distribuzione energia rinnovabile per settore, termico, dei trasporti, dell’energia, fonte IEA [7]

La Commissione Europea, nel settembre 2020, durante il periodo di pandemia dovuta al virus Covid-19, ha varato un “Green Deal Europeo”. Si tratta di direttive per ridurre le emissioni di gas serra entro il 2030 (riduzioni che vedono come riferimento il 1990). Obiettivi chiave da raggiungere entro il 2030 sono:

• Riduzione di almeno il 40% delle emissioni di gas serra
• Almeno il 32% di quota di energia rinnovabile
• Un miglioramento di almeno il 32.5% dell’efficienza energetica
• Adottare misure per adattarsi agli effetti dei cambiamenti climatici, diventando una società ad essi resiliente

La situazione mondiale e dei singoli paesi si prospetta come riportato in figura 11 nel 2030.

Figura 11: Distribuzione fonti energetiche per paese, anno 2030 [24]

Figura 12: Trend europeo ed italiano 2020-2030 sulla quota FER, fonti energetiche rinnovabili [19], fonte dati: European Environment Agency, Eurostat e PNIEC 2021

In Europa, nonostante sia stato varato un apposito “Green Deal”, e siano stati stanziati fondi per la conversione energetica, secondo il grafico in figura 12 il trend è stato stilato proiettando il compound annual growth rate dal 2015 al 2019, per tenere conto dell’impatto delle rinnovabili. Per l’Italia sono stati presi dati ENEA – a ritmo attuale, non sarà possibile raggiungere gli obiettivi prefissati per il 2030.

Inoltre, le energie rinnovabili, aleatorie e dipendenti quindi da fattori non stabili nel tempo come il vento, il sole e in parte la disponibilità idrica, possono eventualmente non essere disponibili. Si riporta di seguito un esempio esplicativo sull’effetto che le giornate calde hanno sulle fonti rinnovabili: la potenza e la capacità di generazione elettrica dei pannelli fotovoltaici dipendono dalla temperatura esterna, come mostrato nell’equazione (1), dove la variazione della tensione è inversamente proporzionale alla temperatura. Infatti, più è alta la temperatura (T ottimale: 25°C) peggiore è il rendimento di un pannello fotovoltaico, la cui potenza diminuisce, e la cui struttura si danneggia.

(1) V = Vgo - n * m * (kT/q)

• Legenda:
• n=1.5 per il silicio
• m=2 per il silicio
• Vgo=potenziale banda proibita [V]
• (kT/q) = tensione termica definita da T assoluta, costante di Boltzmann e carica = 0.026 V [V]
• Voc= tensione di cortocircuito [V]

Figura 13: Caratteristica voltamperometrica pannelli fotovoltaici con individuazione massima potenza Pm [22]

La Voc diminuisce con l’aumentare della temperatura dello 0.35%/K. La potenza, di conseguenza, diminuisce per ogni grado Kelvin di 0.45%/K. Un esempio grafico è riportato in figura 13.

Con l’aumento della temperatura, l’eccessiva evaporazione dell’acqua mette a rischio gli impianti idroelettrici, che, per mantenere una minima portata di acqua, devono funzionare a ritmi moderati senza riuscire a coprire le punte di carico richieste spesso delle utenze o dagli esercizi commerciali (da servizi come i condizionatori). Il pochissimo vento che si verifica nelle giornate di afa non permette la produzione di energia sfruttando l’eolico.

Per i precedenti motivi, viste le carenze delle fonti rinnovabili odierne in quanto a:

• Basso capacity factor - 30%-
• Disponibilità non costante e prolungata nel tempo