E’ stata recentemente inaugurata la Prima Filiera dell'Idrogeno della Regione Lombardia. Quest’iniziativa, guidata da H2Energy, mira a unire imprenditori, enti di ricerca, fondazioni e aziende che lavorano sulla transizione energetica, con particolare attenzione all'idrogeno verde. La filiera conta già oltre 35 realtà, compresi centri accademici ed aziende.
L'idrogeno verde rappresenta una risorsa cruciale per affrontare la crisi climatica e perseguire la transizione verso fonti energetiche sostenibili.
Abbiamo chiesto a Carlo Santoro ricercatore presso il Dipartimento di Scienza dei materiali di approfondire le ultime iniziative e strategie sull’idrogeno verde per comprenderne gli effettivi sviluppi futuri.
Dottor Santoro, può darci una panoramica sulle motivazioni alla base della creazione della Prima Filiera dell'Idrogeno della Regione Lombardia e come questa iniziativa si inserisce nella transizione energetica del nostro Paese?
Nella transizione energetica, l’idrogeno sarà certo un vettore energetico protagonista.
Fare una transizione energetica efficace e risolutiva è molto complesso perché numerosi sono gli attori in gioco e le azioni da intraprendere.
Sono numerosi i settori strategici da decarbonizzare come l’industria, gli edifici e il trasporto, per citare alcuni esempi.
L’obiettivo europeo discusso nel Green Deal e negli accordi di Parigi del 2015 della neutralità climatica prevista nel 2050 sono estremamente ambiziosi, quindi c’è bisogno di agire come sistema.
L’economia dell’idrogeno, specialmente in Italia, si sta muovendo in maniera confusa e, purtroppo, spesso frazionata e ciò non giova all’ambizioso obiettivo europeo.
L’idea di filiera nasce per raggruppare aziende lombarde ed università con competenze e know how diverso, quindi portare insieme idee, sviluppo di progettazione di ricerca partendo dai materiali e fino ai sistemi ed infine integrarli con il tessuto industriale.
La filiera è come un’orchestra dove ogni strumento diverso produce un suono e l’insieme dei suoni poi crea una musica straordinaria. Questa filiera è stata creata da H2Energy, una giovane ed attiva azienda lombarda che produce elettrolizzatori di media-grande taglia dell’ordine dei megawatt. Essere parte di questa filiera ed essere anche partecipanti attivi nella ricerca e sviluppo dei materiali per applicazioni reali è un elemento di grande vanto.
La filiera ha coinvolto cinque centri accademici e di ricerca. Qual è il ruolo dell’Università Bicocca nella filiera e come contribuirà alla ricerca e allo sviluppo nell'ambito della produzione di idrogeno verde?
L’Università Bicocca ed in particolare il Dipartimento di Scienza di Materiali si occupa di sviluppare materiali innovativi per applicazioni energetiche.
Intendiamo portare nella filiera il nostro know-how e le competenze sperimentali all’avanguardia nello sviluppo di catalizzatori e membrane polimeriche, specialmente per applicazioni in elettrolizzatori a membrana di scambio anionico.
La ricerca si sta muovendo verso l’aumento della stabilità e della durabilità dei materiali e verso l’abbattimento dei costi incrementando l’efficienza del sistema.
Il primo incontro della filiera si è tenuto il 7 novembre presso la sede di H2Energy, con la partecipazione dell'Assessore allo Sviluppo Economico della Regione Lombardia, Dr. Guido Guidesi. Qual è stato il focus di questo primo incontro?
In questo primo incontro, il Dr. Guido Guidesi ha illustrato le progettazioni e i bandi pregressi, in atto e le possibilità dei finanziamenti che usciranno a breve.
Dopo questo intervento, le varie università partecipanti alla filiera hanno presentato una panoramica delle attività di ricerca svolta sulle tematiche dell’idrogeno. Gli argomenti di ricerca affrontati hanno riguardato principalmente lo sviluppo di materiali per celle a combustibile, tecnologia che finalmente sta prendendo piede nell’automotive e che ha molte potenzialità di utilizzo nei mezzi pesanti.
L’interesse verso la produzione di idrogeno attraverso elettrolisi abbraccia gli ultimi 5-10 anni, nonostante la tecnologia degli elettrolizzatori alcalini abbia più di 100 anni.
Presentare le proprie attività di ricerca nell’ottica dell’applicazione è stata fondamentale per creare sinergie con le aziende lombarde. Dalle nostre presentazioni sono seguite discussioni interessanti ed anche interazioni che spero si trasformino in progetti di ricerca e sviluppo.
La filiera si riunirà nuovamente nel gennaio 2024 con un focus sulle aziende e le prime collaborazioni. Quali opportunità si presentano per le aziende che aderiscono a questa filiera e come si prevede che contribuiranno alla crescita e allo sviluppo dell'ecosistema dell'idrogeno verde in Lombardia?
La seconda riunione coinvolgerà più in profondità le aziende lombarde coinvolte, dove le aziende potranno presentare i loro prodotti, servizi e linee di sviluppo.
Una sorta di brainstorming che porterà a conoscerci e capire gli interessi e le idee e sviluppare progetti comuni verso tecnologie innovative.
L’interazione tra industria e università è cruciale e contribuisce alla crescita del Paese. Spesso in Italia questo non succede e ci si guarda con diffidenza.
La transizione energetica apre un nuovo paradigma sull’energia e un profondo cambiamento nel modo di pensare è necessario. Infatti, alcune realtà industriali rischiano di scomparire o di offrire prodotti che presto diverranno obsoleti.
Allo stesso tempo, la transizione energetica può offrire nuove importanti possibilità di rilancio riconvertendo completamente o adattando il processo produttivo ed utilizzando le proprie consolidate competenze verso lo sviluppo di una filiera dell’idrogeno.
Divenire green è un obiettivo che offre grandi possibilità di profitti economici per il tessuto industriale lombardo.
La Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici del 2023, nota come COP28 – che si è svolta all’Expo City di Dubai sotto la presidenza degli Emirati Arabi Uniti, dal 30 novembre al 12 dicembre 2023 – si è conclusa con un accordo che molti osservatori hanno definito storico. Per la prima volta nel testo finale viene menzionato esplicitamente l’idrogeno come strumento per agevolare la riduzione delle emissioni di CO2.
“Tra il dire e il fare c’è di mezzo il mare”. Le intenzioni vanno nella giusta direzione, sono ambiziose e condivisibili ma, purtroppo, di frequente vengono disattese. Molto spesso, infatti, si pensa alla situazione economica del momento e mancano visioni a lungo termine e globali.
Le emissioni di CO2 e il cambiamento climatico sono problemi globali e non solo europei, se l’Europa diventa carbonio-neutrale ma le emissioni aumentano poiché Cina ed India utilizzano fonti fossili inquinanti, non risolviamo il problema ma semplicemente lo spostiamo.
L’European Green Deal e gli Accordi di Parigi vanno nella direzione giusta, essere carbonio-neutrali nel 2050 e l’idrogeno come vettore energetico farà la sua parte di sicuro.
Ci sono settori dove usare idrogeno verde è già quasi conveniente dal punto di vista economico e sicuramente ambientale, specialmente nel settore dell’automotive e dell’industria energivora hard-to-abate. Ad esempio, la produzione di ferro o di ammoniaca, elemento costitutivi dell’acciaio e dei fertilizzanti, si basa sull’uso di idrogeno proveniente dallo shift reforming del metano con produzioni immense di CO2. Sostituire lo shift reforming con la produzione di idrogeno verde porterebbe a una significativa riduzione globale di CO2.
Un altro settore strategico è l’automotive, dove l’idrogeno sarà protagonista nel settore dei trasporti attraverso autobus e mezzi pesanti. Mancano le infrastrutture quasi completamente, specialmente in Italia. Ad oggi, esiste una sola colonnina di rifornimento di idrogeno a Bolzano (https://h2map.eu/) a differenza della Germania dove ce ne sono centinaia.
Manca l’idrogeno prodotto da elettrolizzatori. L’obiettivo di avere 100 GW di idrogeno al 2030 in Europa è estremamente ambizioso e l’Europa intende produrne almeno il 40% internamente. Alcuni importanti progetti europei finanziano elettrolizzatori con potenze dell’ordine delle centinaia di megawatt che sono in questo momento in produzione.
È importante sottolineare che abbiamo il know-how per produrre elettrolizzatori ma ci mancano alcuni elementi chimici molto importanti. Se volessimo produrre un elettrolizzatore PEM, avremmo bisogno di platino e iridio, entrambi provenienti dal Sud Africa. Se volessimo costruire un elettrolizzatore alcalino, invece, avremmo bisogno del nickel, per cui dipendiamo quasi completamente dall'Indonesia, dalle Filippine e dalla Russia. Quindi siamo estremamente vulnerabili non avendo questi materiali critici e si rischia di perdere il confronto con la Cina e gli Stati Uniti, come sta accadendo per le batterie.
L’idrogeno verde è tale solo se gli elettrolizzatori sono alimentati con energia rinnovabile. Ad oggi, si sta già facendo fatica ad aumentare ogni anno la percentuale di rinnovabili per sostituire il fossile per la produzione di energia elettrica.
Usare energia elettrica rinnovabile per fare idrogeno vorrebbe dire sottrarla dall’utilizzo per altri scopi, anche se poi, in prospettiva, l’idrogeno potrà essere utilizzato come vettore energetico.
Potrebbe condividere con noi le attività di ricerca e sviluppo in corso presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università di Milano-Bicocca relative alla produzione di idrogeno verde?
Personalmente sono rientrato in Italia nel 2021 dopo 12 anni all’estero tra Stati Uniti, Inghilterra e Singapore grazie al Bando Giovani Ricercatori “Rita Levi Montalcini” con un progetto di sviluppo di catalizzatori partendo da biomassa di scarto.
Nel corso di tre anni, con il background acquisito, ho avuto modo di vincere un progetto bilaterale Italia-Israele in cui stiamo sviluppando catalizzatori per elettrolizzatori con membrana a scambio anionico AEM (Anion Exchange Membrane) Su questa linea ho anche ottenuto un finanziamento da ENEA nell’ambito del PNRR.
Nel Dipartimento di Scienze dei Materiali, il mio gruppo (Electrocatalysis and Bioelectrocatalysis Lab) e il gruppo del Prof. Piercarlo Mustarelli effettuano attività sperimentale sulla produzione di idrogeno verde attraverso elettrolizzatori.
In particolare mi occupo di sviluppare catalizzatori a base di materiali del gruppo del platino (platino, iridio e rutenio) e senza platino.
Nell’ambito del bando dell’Economia Circolare della Fondazione Cariplo intendiamo trasformare plastica di scarto in catalizzatori per elettrolizzatori, valorizzando nello stesso tempo la CO2 proveniente dalla pirolisi per produrre gas di sintesi, e siamo anche sub-contractor di un progetto europeo Interreg Alpine il cui scopo è strutturare la rete di distribuzione di idrogeno per automezzi pesanti nella regione alpina.
Nonostante le molteplici potenzialità dell'idrogeno verde, sono noti alcuni svantaggi e sfide associate a questa tecnologia, come l'efficienza energetica nel processo di elettrolisi e le infrastrutture necessarie per il trasporto e lo stoccaggio. Quali strategie e approcci è possibile adottare secondo lei per superare tali sfide e massimizzare l'efficacia dell'idrogeno verde come componente chiave della transizione energetica?
Numerosi sforzi si stanno facendo per aumentare l’efficienza energetica, cioè diminuire l’energia elettrica richiesta per creare un chilo di idrogeno.
Questo lo si può raggiungere attraverso un miglioramento del sandwich elettrodo-membrana-elettrodo (MEA) diminuendo la resistenza interna e migliorando l’afflusso e la rimozione dei reagenti.
Lo scale-up della tecnologia è attualmente un grosso problema, dato che sono richiesti stack elettrolitici dell’ordine del megawatt per poi andare verso le centinaia di GW.
Lo spazio occupato dallo stack e dell’impianto completo (Balance of Plant) non è trascurabile.
Pensate che H2Energy, il leader e promotore della filiera, ha costruito un sistema completo con un elettrolizzatore PEM da 1 MW il cui ingombro è quello di un container (80 metri cubi).
Un ostacolo rilevante è l'impiego di materiali critici come platino e iridio negli elettrolizzatori PEM. L'estrazione globale di iridio l'anno scorso è stata di circa 3 tonnellate, ma la domanda supera la loro disponibilità. La situazione migliora con l'uso di elettrolizzatori alcalini o AEM. Tuttavia, in Italia e in Europa, mancano quasi del tutto infrastrutture per il trasporto e lo stoccaggio. Nonostante una rete di distribuzione di gas metano in Italia, adattarla per l'idrogeno richiederebbe una costruzione da zero, data la differenza di dimensioni tra i due gas.
In Italia abbiamo una importante rete di distribuzione di gas metano che potrebbe essere adattata. Tuttavia, l’idrogeno è molto più piccolo del metano e con i materiali con cui sono fatte le tubazioni odierne non si potrebbe spostarlo ad alta pressione.
Anche i sistemi di stoccaggio al momento mancano, tuttavia esiste la tecnologia per pressurizzare l’idrogeno.
Un modo per superare questi ostacoli potrebbe essere la produzione e utilizzo dell’idrogeno in loco, quindi evitando il trasporto a centinaia di chilometri. Si potrebbe invece trasportare l’elettricità ed utilizzarla per generare idrogeno verde. Succede infatti a volte che l’energia prodotta non è assorbita dalla rete e quindi viene persa. Invece, potrebbe essere usata per produrre idrogeno verde che fungerebbe da storage chimico.
Le sfide sono molte per raggiungere l’obiettivo finale. Un approccio sinergico tra industrie e università è assolutamente necessario. Ognuno all’interno della catena di approvvigionamento ha un ruolo complementare per mettere insieme tutte le tessere di questo puzzle complicato.
Guardando al futuro, quali sono gli obiettivi di sviluppo tecnologico che il Dipartimento si propone di raggiungere nel campo dell'idrogeno verde? Come prevede che queste attività di ricerca possano influenzare e contribuire alla crescita dell'ecosistema dell'idrogeno verde, non solo in Lombardia ma anche a livello nazionale?
Il lavoro che sia io che il Prof. Mustarelli stiamo portando avanti va esattamente in questa direzione. Identificare i problemi sui materiali usati negli elettrolizzatori, capirli e approntare miglioramenti.
Costo e durabilità dei materiali sono i principali problemi da risolvere negli elettrolizzatori del gruppo al platino (PEM - Proton Exchange Membrane Electrolysis). Il carico catalitico di platino ed iridio va abbattuto di almeno un ordine di grandezza, aumentando le prestazioni e la durabilità dei materiali per ridurre i costi e aumentare l’efficienza energetica.
Come lo raggiungiamo questo obiettivo? Disperdendo e ancorando i materiali sui supporti in modo omogeneo.
Inoltre, cruciale è il trasporto di massa che deve essere ottimizzato usando strutture gerarchiche che facilitino il rilascio dei gas.
Per quanto riguarda gli elettrolizzatori AEM ed alcalini, il mio gruppo si occupa di sviluppare materiali mono, bi e trimetallici usando il nickel come componente primario.
Lo sviluppo di materiali senza platino è cruciale. Nanoparticelle disperse su materiali carboniosi o self-standing con morfologia controllata possono essere sintetizzate attraverso metodi chimici. Il nickel è il materiale primario utilizzato sia da solo che in leghe con rame, cobalto, ferro e molibdeno.
Su queste ultime attività stiamo collaborando con una start-up lombarda, X-Nano (spin-off dell’Istituto Italiano di Tecnologia) dove intendiamo scalare il processo di fabbricazione e, in prospettiva, giungere alla commercializzazione.
Tutto questo sviluppo di catalizzatori e di membrane è di primaria importanza soprattutto per raggiungere i requisiti della tecnologia. Questo inserimento nella filiera dell’idrogeno di Regione Lombardia ci permette di interagire con realtà locali, esperte o semplicemente interessate a contribuire allo sviluppo di stack elettrolitici per la produzione di idrogeno.
