Idrogeno: Scegliere la Strada Giusta tra Costi e Ambiente con l’Analisi delle Attività

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi sta molto a cuore e che ritengo cruciale per il nostro futuro energetico: l’idrogeno. Se ne sente parlare tantissimo come vettore energetico pulito, una potenziale soluzione per abbattere le emissioni di gas serra, soprattutto nei trasporti. Ma come spesso accade, la realtà è più complessa di uno slogan.

Pensateci: produrre, trasportare e stoccare idrogeno non è banale. Esistono tantissimi modi per farlo, ognuno con i suoi pro e contro in termini di costi e impatto ambientale. Scegliere il percorso giusto, dalla produzione al consumo finale, è fondamentale. Ed è qui che entra in gioco il lavoro che voglio raccontarvi: abbiamo sviluppato una metodologia, basata su un concetto chiamato “analisi delle attività”, per modellare e valutare questi “percorsi dell’idrogeno” in modo flessibile e integrato. L’obiettivo? Aiutare a identificare le soluzioni davvero efficienti, sia per il portafoglio che per il pianeta.

Ma cosa sono esattamente questi “Percorsi dell’Idrogeno”?

Immaginate l’idrogeno come un viaggiatore che deve arrivare a destinazione (ad esempio, una stazione di rifornimento per camion). Il suo viaggio, il “percorso”, è composto da diverse tappe:

• Produzione: Come nasce l’idrogeno? Può derivare da fonti fossili come il gas naturale (il cosiddetto idrogeno grigio, che però emette CO2) o il carbone. Oppure, può essere prodotto tramite elettrolisi dell’acqua, usando elettricità. Se l’elettricità è rinnovabile, otteniamo idrogeno verde (zero emissioni!). Se si usa elettricità dalla rete, si parla di idrogeno giallo (l’impatto dipende dal mix energetico). Esiste anche l’idrogeno blu, prodotto da fossili ma con cattura e stoccaggio della CO2.
• Trasporto e Stoccaggio: L’idrogeno è leggerissimo ma occupa molto volume. Per trasportarlo e stoccarlo bisogna comprimerlo ad altissime pressioni (idrogeno gassoso compresso – CGH2) o liquefarlo a temperature bassissime (-253°C!), cosa che richiede molta energia (idrogeno liquido – LH2). Ci sono anche tecnologie emergenti come i vettori organici liquidi (LOHC) o l’idrogeno crio-compresso (CcH2). Ogni metodo ha sfide diverse: il gas compresso richiede serbatoi robusti, il liquido richiede isolamento termico perfetto per evitare perdite per evaporazione (il “boil-off”). Il trasporto può avvenire su camion, navi, treni o tramite pipeline dedicate.
• Conversione: Spesso l’idrogeno deve cambiare “stato” lungo il percorso. Ad esempio, può essere trasportato liquido e poi gassificato alla stazione di rifornimento, oppure compresso a pressioni diverse.

Capite bene che combinando tutte queste opzioni, il numero di possibili percorsi diventa enorme! E la tecnologia evolve rapidamente, rendendo il quadro ancora più dinamico.

La Sfida: Scegliere Saggiamente tra Costi ed Emissioni

Ecco il punto cruciale: ogni percorso ha un suo specifico profilo di costi e di impatto ambientale (principalmente emissioni di gas serra – GHG). Un percorso che sembra economico potrebbe essere disastroso per l’ambiente, e viceversa. Inoltre, la scelta migliore dipende tantissimo dal contesto:

• Quanto idrogeno serve?
• Qual è la distanza da coprire?
• Quali tecnologie sono disponibili e mature?
• Chi prende la decisione? Un operatore di stazioni di rifornimento avrà priorità diverse da un produttore di idrogeno o da un politico che deve definire strategie nazionali.

Molti studi hanno confrontato specifici percorsi, ma spesso valutano costi ed emissioni separatamente, usando metodologie diverse (come il Levelized Cost of Energy – LCOE per l’economia e il Life Cycle Assessment – LCA per l’ambiente). Mancava un approccio unificato e flessibile, capace di modellare i flussi di materia ed energia in modo integrato e di considerare anche i “sottoprodotti” (come la CO2 nella produzione di idrogeno grigio, o l’ossigeno e il calore nell’elettrolisi, che potrebbero avere un valore!).

Il Nostro Approccio: L’Analisi delle Attività al Servizio dell’Idrogeno

Per affrontare questa complessità, abbiamo adottato e adattato il concetto di analisi delle attività. L’idea di base è semplice ma potente: scomponiamo ogni percorso dell’idrogeno in una sequenza di “attività” elementari. Ogni attività (es. comprimere idrogeno, trasportarlo per 100 km, liquefarlo, stoccarlo) prende degli input (energia, materie prime, lavoro, asset) e genera degli output (idrogeno trasformato, emissioni, sottoprodotti).

Modelliamo ogni attività con precisione, definendo le quantità di input consumate e di output prodotte per unità di “lavoro” svolto (es. per kg di idrogeno compresso). Questo ci permette di:

• Tracciare tutti i flussi: Materiali, energia, emissioni lungo l’intera catena.
• Considerare i sottoprodotti: Sia quelli indesiderati (emissioni) che quelli potenzialmente utili (ossigeno, calore).
• Integrare valutazione economica e ambientale: Associamo a ogni flusso i relativi costi (variabili e fissi) e il potenziale di riscaldamento globale (GWP, misurato in CO2 equivalenti).
• Essere flessibili: Possiamo facilmente aggiungere nuove tecnologie o modificare parametri (distanze, domanda, prezzi energetici) per analizzare diversi scenari.
• Gestire i confini del sistema: Possiamo focalizzarci sulle attività sotto il diretto controllo di un decisore (es. l’operatore della stazione) ma anche includere l’impatto “a monte” (es. le emissioni della produzione dell’idrogeno acquistato o dell’elettricità usata) introducendo delle “Attività Semplificate a Monte” (SUA), che aggregano gli impatti esterni senza dover modellare tutto nel dettaglio.

In pratica, costruiamo una “matrice tecnologica” che descrive tutte le attività possibili. Dato un certo fabbisogno di idrogeno finale, il modello calcola quanto intensamente deve essere svolta ogni attività e, di conseguenza, i flussi totali di input, output, costi ed emissioni per l’intero percorso.

Mettere alla Prova il Framework: I Casi Studio

Per dimostrare la validità e l’utilità del nostro approccio, abbiamo condotto un paio di casi studio focalizzati sul rifornimento di idrogeno gassoso per veicoli stradali.

Caso Studio 1: Confronto tra Opzioni di Consegna

Abbiamo immaginato un operatore di una stazione di rifornimento che deve scegliere come farsi consegnare l’idrogeno (supponendo di acquistare idrogeno grigio da un fornitore). Abbiamo confrontato diverse opzioni di trasporto e stoccaggio in loco:

• Trasporto con camion cisterna di idrogeno gassoso compresso (CGH2) a 200 bar.
• Idem, ma a 380 bar (più capacità, ma più energia per comprimere).
• Utilizzo di “swap trailers” a 300 bar (il rimorchio stesso funge da stoccaggio, eliminando la necessità di serbatoi fissi in stazione).
• Idem, ma a 500 bar.
• Trasporto con camion cisterna di idrogeno liquido (LH2), con liquefazione alla fonte e stoccaggio liquido in stazione (considerando le perdite per boil-off).
• Produzione diretta in loco tramite elettrolisi (OSE), usando elettricità dalla rete.

Abbiamo analizzato tre scenari con diverse combinazioni di domanda giornaliera di idrogeno e distanza dal fornitore (bassa domanda/lunga distanza, media domanda/media distanza, alta domanda/bassa distanza).

I risultati? In tutti gli scenari considerati, il trasporto di idrogeno gassoso compresso (CGH2), specialmente con gli swap trailers a pressioni più elevate (300-500 bar), è risultato generalmente più vantaggioso sia in termini di costi che di emissioni rispetto al trasporto di idrogeno liquido (LH2). Perché? Principalmente a causa dell’enorme consumo di energia (e relative emissioni, se l’elettricità non è verde) necessario per liquefare l’idrogeno. Anche considerando le perdite per boil-off dell’LH2, i costi e le emissioni della liquefazione tendono a sovrastare i benefici di un trasporto più efficiente su lunghe distanze. La produzione in loco (OSE) con elettricità di rete attuale risulta spesso costosa e ad alte emissioni, ma un’analisi di sensibilità ha mostrato che diventa competitiva se il prezzo dell’elettricità e la sua impronta di carbonio scendono significativamente. È interessante notare che i costi e le emissioni del solo trasporto sono spesso una frazione relativamente piccola del totale; le fasi di conversione energetica (compressione, liquefazione) pesano molto di più.

Caso Studio 2: Decisioni di Approvvigionamento (Sourcing)

Nel secondo caso, abbiamo ampliato la prospettiva per aiutare a decidere non solo come trasportare l’idrogeno, ma anche quale idrogeno scegliere e da dove prenderlo. Abbiamo confrontato tre opzioni per una stazione ad alta domanda:

1. Acquistare idrogeno grigio da un fornitore regionale (100 km), trasportato con swap trailer CGH2 a 500 bar.
2. Importare idrogeno verde liquido (ILH2GREEN) da un porto (distante 500 km), ipotizzando una produzione e un trasporto marittimo a zero emissioni (es. da Canada, usando il boil-off come carburante per navi alimentate a idrogeno).
3. Produzione in loco (OSE) come benchmark.

Qui i risultati mostrano un chiaro trade-off: l’idrogeno grigio locale è risultato l’opzione più economica, mentre l’idrogeno verde importato è di gran lunga la migliore dal punto di vista ambientale (emissioni quasi nulle nel nostro scenario idealizzato). La produzione in loco si colloca in mezzo, ma come visto prima, dipende fortemente dai parametri dell’elettricità. Questo evidenzia come le decisioni future sull’infrastruttura dell’idrogeno dovranno bilanciare attentamente costi, impatto ambientale e sicurezza dell’approvvigionamento.

Cosa significa tutto questo per il futuro dell’idrogeno?

Il messaggio chiave che emerge dal nostro lavoro è che non esiste un’unica “ricetta” vincente per l’idrogeno. La scelta ottimale dipende da tantissimi fattori specifici del contesto. Avere uno strumento flessibile e integrato come il framework basato sull’analisi delle attività è fondamentale per poter navigare questa complessità e prendere decisioni informate.

Questo approccio permette di:

• Confrontare mele con mele (e pere con pere!), valutando diverse tecnologie e percorsi con criteri omogenei (costi ed emissioni GWP, ma potenzialmente anche altri impatti ambientali).
• Identificare i punti critici (“hotspot”) in termini di costi ed emissioni lungo la catena.
• Simulare scenari futuri (es. calo dei costi delle rinnovabili, sviluppo di nuove tecnologie di trasporto).
• Supportare diversi tipi di decisori con analisi personalizzate sui loro specifici confini e obiettivi.

Certo, il modello ha dei limiti, come l’assunzione di linearità che non cattura direttamente le economie di scala (anche se si possono approssimare). Ma rappresenta un passo avanti importante per pianificare lo sviluppo di infrastrutture per l’idrogeno che siano davvero sostenibili, sia economicamente che ambientalmente.

Il viaggio verso un’economia dell’idrogeno è appena iniziato, e la strada è piena di bivi. Spero che strumenti come questo possano aiutarci a scegliere la direzione giusta!

Fonte: Springer