Idrogeno vs. Gas naturale per la produzione di energia elettrica

Il ruolo dell’idrogeno nell’eliminazione delle emissioni di CO2, in particolare dalla rete elettrica, ha suscitato un crescente interesse, con implicazioni potenzialmente significative per gli investitori nei settori del gas naturale, dei servizi pubblici e delle attrezzature industriali.

Gli investitori istituzionali, ad esempio il gruppo di investitori Climate Action 100+ che rappresenta 47mila miliardi di dollari di asset, includono sempre più fattori ambientali nei loro criteri di investimento.

Questa idea è spesso espressa come parte di un obiettivo di "rete a zero emissioni di carbonio entro il 2050" per i servizi di pubblica utilità, ad esempio discusso per Duke Energy (DUK) qui, dove l'idrogeno è identificato come un combustibile candidato per generare fino al 30% dell'energia di Duke nel 2050.

Un obiettivo più ambizioso per una “economia netta a zero emissioni di carbonio” prevede l’eliminazione dei combustibili fossili non solo per la produzione di energia, ma anche per il riscaldamento industriale, gli spazi commerciali e residenziali, il riscaldamento dell’acqua e i trasporti. Questo scenario aggiungerebbe ulteriori carichi alla rete elettrica; ad esempio, il fabbisogno di riscaldamento invernale delle abitazioni ora è soddisfatto dal gas naturale.

In questo articolo ci concentreremo principalmente sulla questione della rete a zero emissioni di carbonio; l’idrogeno può e sostituirà il gas naturale nella rete elettrica statunitense? Ci concentreremo anche sullo scenario più probabile, ovvero l’uso dell’energia solare su larga scala per generare idrogeno mediante elettrolisi.

Discutiamo di fattibilità tecnica, praticità operativa ed economica e alcune implicazioni per gli investitori.

La tesi di investimento che esamineremo oggi è semplice: l’idrogeno verde generato da energia rinnovabile può fornire uno stoccaggio di energia su scala di rete simile a quello fornito oggi dal gas naturale, ovvero la capacità di immagazzinare grandi quantità di energia per giorni o mesi. Ciò supererà la limitazione dell’intermittenza dell’energia eolica e solare e consentirà la sostituzione del gas naturale per la produzione di energia, ottenendo una rete elettrica a zero emissioni di carbonio.

Probabilmente ci saranno investimenti significativi nell’idrogeno per applicazioni diverse dalla generazione di energia elettrica dalla rete; la potenziale impronta economica complessiva è significativa.

L’Hydrogen Council stima 2,5 trilioni di dollari di vendite annuali mondiali entro il 2050, metà derivanti dall’idrogeno e metà dalle apparecchiature. Nell’ottobre 2020, la Fuel Cell and Hydrogen Energy Association, concentrandosi sui trasporti e sulle materie prime industriali piuttosto che sulla produzione di energia elettrica, ha stimato 750 miliardi di dollari di entrate annuali statunitensi derivanti dall’economia dell’idrogeno entro il 2050.

Come si suol dire, grande se vero.

Per discutere del potenziale dell’idrogeno nella produzione di energia, ci sono alcune cose che dobbiamo tenere a mente.

L'idrogeno è descritto come grigio, blu o verde a seconda di come è prodotto; grigio da combustibile fossile con emissioni di CO2, blu da combustibile fossile con CO2 catturata e verde da energia rinnovabile senza emissioni di CO2. Quando si parla della futura economia dell’idrogeno, o dell’economia a zero emissioni di carbonio, di solito si intende l’idrogeno verde.

L'idrogeno (H2) è più leggero del gas dell'aria. Mille piedi cubi (MCF) di idrogeno in condizioni standard pesano 2,41 kg o 5,3 libbre; si tratta di circa il 15% del peso del gas naturale (cioè metano, CH4).

Il contenuto energetico del gas è misurato in BTU per piede cubo. L’idrogeno ha circa il 30% del contenuto energetico del metano. Ciò significa che sono necessari circa 3,3 CF di idrogeno per fornire la stessa energia di 1 CF di gas naturale.

Per produrre idrogeno mediante elettrolisi, sono necessari 39,4 kWh di potenza in ingresso per produrre un kg di idrogeno, se il processo di elettrolisi è efficiente al 100%.

I costi dell'idrogeno possono essere quotati in $/kg o $/MMBtu. Un prezzo di 1 $/kg equivale a circa 8 $/MMBtu. Il prezzo del gas naturale è normalmente in $/MMBtu (ad esempio presso l'Henry Hub).

Quando l’idrogeno viene bruciato per produrre energia, non viene prodotta CO2.

È possibile miscelare idrogeno e gas naturale nel flusso di carburante, con una riduzione della produzione di CO2, ma a causa della differenza nel contenuto energetico, per ottenere una riduzione del 50% di CO2 è necessario circa il 75% di H2 in volume.

L’idrogeno presenta problemi di gestione e sicurezza che il metano non presenta. L'idrogeno può causare l'infragilimento dei metalli e il deterioramento delle guarnizioni in plastica e gomma.