Bufala numero 3: in un futuro prossimo, con l’idrogeno potrai farci andare dalla caldaia di casa alla macchinina di tuo figlio

Facciamo un esempio: l’automobile

Qui mi ripeto un po’, questo discorso l’avevo fatto anche qui, stavolta cerco di spiegare meglio. Supponiamo di avere prodotto 100 kWh di energia elettrica mediante fonti rinnovabili. Abbiamo in garage due macchine nuove fiammanti, una che va ad idrogeno, ed una che va ad energia elettrica. Con quale auto facciamo più strada?

Partiamo dall’auto ad idrogeno. Prendo i miei 100 kWh e li metto in un elettrolizzatore, che ahinoi, ha una resa del 60%, quindi ottengo 60 kWh di idrogeno. Poi l’idrogeno lo devo comprimere (a 700 bar!) e trasportare. In queste operazioni perdiamo un altro 10%, e rimangono 51 kWh, che finalmente possiamo infilare nel serbatoio della mia macchina ad idrogeno. Qui troviamo delle celle a combustibile che trasformano l’idrogeno in energia elettrica, e nella conversione perdono un altro 40%, rimangono quindi 31 kWh di energia elettrica che finalmente diamo in pasto al motore elettrico*. Il motore elettrico ha un rendimento del 90%, rimangono infine 28 kWh di energia cinetica trasferita alle ruote, con la quale facciamo 193 km.

Passiamo all’auto elettrica. Ho sempre i miei 100 kWh di energia elettrica rinnovabile, che infilo nella rete elettrica fino ad arrivare alla wallbox di casa mia, con la quale mi ricarico l’auto. In questa operazione perdo circa il 10% dell’energia, quindi mi rimangono 90 kWh. L’energia elettrica viene stoccata nella batteria della mia auto, che in un ciclo di carica-scarica perde un altro 10%, e siamo a 81 kWh, che vengono trasferiti ad un motore elettrico uguale a quello di prima che stavolta trasferisce alle ruote 73 kWh di energia cinetica con la quale posso fare 510 km.

Con la stessa energia elettrica di partenza con un’auto elettrica faccio 2,6 volte la strada che posso fare con un’auto a idrogeno. Questo è il motivo per cui vedete in giro auto elettriche, e non auto ad idrogeno. Ma questo vale anche per gli autobus, non ha senso farli ad idrogeno. In Cina poi, ci sono già i camion elettrici. Questo vale per oggi, e varrà anche per il futuro, un’auto elettrica ha bisogno di molte meno trasformazioni dell’energia, ogni trasformazione comporta perdite energetiche (secondo principio della termodinamica), pertanto l’auto a idrogeno non può vincere contro l’auto elettrica.

Facciamo un altro esempio: il riscaldamento

Voglio smetterla di inquinare con il riscaldamento di casa mia. Arriva un tecnico e mi propone di installare una caldaia ad idrogeno, ho letto però in quest’articolo che Jacopo ha installato una pompa di calore, cosa mi conviene fare?

Cominciamo dalla caldaia ad idrogeno: la storia è la stessa di prima, e non sto a ripetervela, cambia solo l’ultimo passaggio: fornisco i miei 51 kW sottoforma di idrogeno alla mia caldaia, che li brucia con un rendimento del 90%, ottenendo 46 kWh di calore.

Cosa succede invece nel caso della pompa di calore. Mi rimangono 95 kWh dopo le perdite di trasporto della rete elettrica**, li metto in una pompa di calore, che ha un COP di 3 (ossia un rendimento del 300%) che mi produce 285 kWh di calore per la mia casetta.

Ci prendi in giro? La pompa di calore consuma 95 kWh e ne produce 285? Ti sei fumato il primo principio della termodinamica?

Per incredibile che possa sembrare per chi non mastica un pochino di termodinamica, è proprio così, la pompa di calore restituisce più energia di quella che consuma. Il “trucco” sta nel fatto che la pompa di calore non si limita a convertire l’energia elettrica in calore, come fa la stufetta elettrica che usa mia moglie in bagno d’inverno, con conseguente disastro energetico. La pompa di calore usa l’energia elettrica per pompare il calore dall’esterno della casa all’interno della casa.

Ci hai presi per scemi? Fuori casa d’inverno fa freddo, altro che calore da pompare!

Freddo e caldo sono dei concetti relativi. Anche dell’aria a -10°C contiene del calore, e questo calore può essere opportunamente assorbito e reso disponibile, ad una temperatura superiore, all’interno della casa. Se volete un articolo su come funzionano le pompe di calore scrivetelo nei commenti, così lo scrivo, e ammazzo di noia anche i tre lettori rimasti che seguono il blog.

Ma torniamo a noi, con gli stessi 100 kWh di energia rinnovabile una caldaia ad idrogeno fa 46 kWh di calore, mentre una pompa di calore ne fa 285. Ossia la pompa di calore batte la caldaia ad idrogeno 6 a 1. Anche in questo caso la vittoria è netta, inequivocabile, una caldaia non potrà mai battere una pompa di calore***.

Sì, ma tu ce l’hai con l’idrogeno, per l’idrogeno ci saranno sicuramente altre, meravigliose possibilità

Questa volta è vero. O meglio non è vero che io ce l’ho con l’idrogeno, io mi limito a tradurre in termini semplici quello che dicono i riferimenti più autorevoli o, al più, a fare due conti. È vero invece che per l’idrogeno ci sono altre applicazioni, queste sì sensate, ossia i celeberrimi settori “hard to abate”. I settori hard to abate – duri da abbattere sono i settori non completamente elettrificabili, che a loro volta afferiscono a due categorie:

Settori che hanno bisogno di calore ad alta temperatura, dove la pompa di calore non arriverà mai:

• Settore siderurgico****
• Settore vetro
• Settore cemento

Trasporti a lunga percorrenza, dove il peso e l’ingombro delle batterie diventerebbe eccessivo:

• Trasporto aereo
• Trasporto navale a lunga distanza

Questi sono i settori più tosti di tutti. La prima cosa da fare sarebbe limitarli, per quanto possibile. Ma questo al capitalismo on piace, allora qui possono trovare applicazione l’idrogeno e gli e-fuels*****.

Quante applicazioni ci sono nel mondo dell’idrogeno e dei suoi derivati nei settori hard to abate? Pochissime. Perché? Per la solita ragione, l’idrogeno verde, ossia quello prodotto da rinnovabili è estremamente costoso. Le applicazioni energetiche dell’idrogeno sono antieconomiche, a meno che non siano pesantemente incentivate.

Cosa deve succedere perché l’idrogeno diventi un vettore energetico economicamente competitivo?

E qui arriviamo al punto cruciale, perché alla fine, è sempre una questione di soldi. Nei settori diversi dai settori hard to abate l’idrogeno non ha alcun senso economico ed ambientale. Tali, per fortuna poche, applicazioni sono delle follie ingegneristiche frutto di incentivi stanziati coi piedi.

Nei settori hard to abate invece, per rendere l’idrogeno competitivo, dovranno sussistere due condizioni:

• L’idrogeno dovrà diventare molto più economico. Questo vorrà dire che gli elettrolizzatori dovranno diventare più efficienti, ma soprattutto che ci dovrà essere un’ampia disponibilità di energia rinnovabile gratis. Ossia che le fonti rinnovabili saranno così estese che in certe ore di alcune giornate estive dell’energia rinnovabile non sapremo che farcene, ed avrà quindi senso usarla per produrre idrogeno. L’idrogeno avrà comunque un costo rilevante, perché elettrolizzatori, compressione, trasporto e stoccaggio costano, ma sarà sicuramente inferiore rispetto ad oggi.
• La carbon tax diventerà più pesante. Con carbon tax intendo l’insieme dei meccanismi a livello mondiale che tassano la CO2 emessa. In Europa abbiamo il meccanismo ETS. Se l’Europa terrà fede alle sue strategie a lungo termine, la tonnellata di CO2 emessa costerà sempre di più, e questo renderà l’idrogeno verde competitivo rispetto al metano.

Quindi, concludendo?

Al lettore meno addentro le questioni energetiche l’idrogeno può sembrare una cosa nuova, in verità nuova non è, se ne parla da decenni. Ed è sempre fermo lì, in una nicchia, combustibile di un futuro che non arriva mai. Spero che il lettore, dopo essersi sciroppato questi due articoli, abbia ben compreso perché non arriva.

L’idrogeno, da un certo punto di vista, appartiene ad un modo vecchio di pensare l’energia, basato sulla combustione. Bruciare qualcosa, come si fa dalla notte dei tempi, senza preoccuparci del “quando” come si deve invece fare con le fonti rinnovabili. Ma il mondo è cambiato, il nuovo mondo è fatto di energia elettrica, di rinnovabili distribuite sul territorio, di reti di interconnessione capillari, di batterie. È un mondo diverso, non per forza più complicato, se si ha la mente un po’ aperta.

Guarda caso, tra i principali sostenitori dell’idrogeno ci sono le compagnie fossili. Oggi usiamo la rete per il gas, la ampliamo, la adattiamo, e domani la useremo per l’idrogeno. È una bugia, per continuare ad andare a metano fino alla morte, ma non funziona, non per questioni ambientali, ma per motivazioni economiche.

L’idrogeno come vettore energetico sostenibile ha un presente inesistente ed un futuro incerto. La mia speranza è che un futuro ce l’abbia, perché costoso com’è, se cominceremo ad usarlo su vasta scala nelle applicazioni “hard to abate”, significherà che avremo veramente preso sul serio la strada della decarbonizzazione.

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* Se invece che celle a combustibile + motore elettrico avessi un motore termico che brucia direttamente idrogeno, farei ancora meno strada, circa 120 km (considerando un rendimento del motore termico del 33%) .

** Non ho l’ulteriore 5% di perdite della colonnina di ricarica dell’auto elettrica.

*** Per le temperature a cui la pompa di calore riesce ad arrivare, a mia conoscenza ad oggi fino a circa 120°C.

**** Il settore siderurgico è parzialmente elettrificabile, infatti i metalli sono conduttori elettrici. Posso allora ottenere elevate temperature a partire dall’energia elettrica con tecniche quali archi voltaici, induzione ed effetto joule. Purtroppo questo non vale per vetro e cemento, che non sono conduttori

***** Gli e-fuels sono ottenuti dall’idrogeno, hanno il vantaggio di non necessitare di pressioni di 700 bar per essere immagazzinati (come l’idrogeno) ma hanno bisogno di un ulteriore passaggio, da idrogeno ad e-fuel appunto, con ulteriori perdite energetiche.