Biomasse hydrogène et Green Deal: Il est possible de contourner les lois de la thermodynamique avec une directive CE?

Re-publication d'un article de Mario A. Rosé sur Agronotizie.

L’European Green Deal (Texte italien en Cette page), fortement soutenu par l'administration Von der Leyen, est le manifeste que la classe politique européenne propose comme recette pour:

“... construire une Europe dans laquelle il n'y aura pas de pollution locale, ni perte de biodiversité, ni impact global sur le climat, ni pauvreté énergétique, les entreprises seront compétitives, la société juste et prospère, et personne ne sera laissé pour compte”.

Lisez avec un esprit critique, purement technique et dépourvu de parti pris idéologique, le document ressemble plus à une liste de souhaits utopique qu'à une ligne directrice, car il manque des actions concrètes pour atteindre les objectifs fixés. Le contenu comprend plusieurs affirmations qui ne sont étayées par aucune preuve, Par exemple:
“La baisse rapide du coût des énergies renouvelables, combiné à une meilleure définition des politiques d'accompagnement, a déjà réduit l'impact des énergies renouvelables sur la facture énergétique des ménages” (sic).

La série historique d'ARERA (Autorité de régulation de l'énergie, Réseaux et environnement), reproduit sur la photo 1, refuser cette réclamation, au moins en ce qui concerne les familles italiennes. Dans les années de boom des énergies renouvelables, une tendance à la hausse du prix total est clairement observée, causée par l'effet combiné des impôts – qui restent constants ou légèrement en croissance – et les frais de système qui augmentent également lorsque le prix de l'énergie baisse.

Figure 1: Données officielles deARERA sur l'évolution du prix de l'électricité aux ménages et de ses éléments de coût. La source https://www.arera.it/it/dati/eep35.htm, fichier https://www.arera.it/allegati/dati/ele/eep35new.xls , élaboration graphique par l'auteur.

Le rôle de l'hydrogène dans le Green Deal

Outre l'examen point par point de la Accord vert, dans cet article nous nous limiterons à analyser l'un des «mantras» de la rhétorique écologique: l'économie de l'hydrogène. Nous vérifierons ensuite le potentiel des procédés de gazéification de la biomasse et s'ils peuvent donc représenter une opportunité concrète pour les fermes italiennes.

Dans le secteur des énergies renouvelables, la "nouvelle économie de l'hydrogène" est le sujet le plus brûlant du moment. L'actualité la plus récente vient d'Allemagne et concerne l'inauguration d'un train -de la production franco-allemande- équipé de bouteilles d'hydrogène comprimé qui alimentent les piles à combustible et d'un parc de bus à hydrogène -de la production belge- dans la ville de Hürth (près de Cologne). Certainement le nouveau train Coradia iLint il n'émet pas de fumée de sa cheminée, mais il n'est pas clair si l'hydrogène qu'il utilise est produit par l'allemand Linde- peut être considéré comme «propre». L'hydrogène qui alimentera les bus, au lieu, c'est le sous-produit d'un centre industriel chimique, mais l'article cité ne précise pas s'il s'agit de l'hydrogène résiduel issu de la production de soude caustique - en principe «propre»- ou la production de polyéthylène ou de PVC - produits dérivés du pétrole. Il n'est pas non plus clair si le coût plus élevé d'un train ou d'un bus à hydrogène par rapport à la simple électrification des lignes est économiquement justifié ou par une ACV (analyse du cycle de vie). Le revenu d'image des hommes politiques français et allemands, en revanche, est incontestable. le Accord vert a été immédiatement évoqué dans la presse, malgré son 25 pages le mot hydrogène apparaît seul 3 fois, spécifier -sans le définir- qu'il s'agit de "l'hydrogène propre". En réalité, une étude de la IEA (Agence internationale de l'énergie, figure 2) montre que l'hydrogène actuellement sur le marché est tout sauf propre: les 73% de la production mondiale provient du gaz naturel, les 26% du charbon et seulement 1% pourrait être considéré comme de «l'hydrogène propre» auquel le texte de la Accord vert. L'étude de l'AIE montre que, en ce moment, le coût de production d'hydrogène à partir d'énergie renouvelable - compris comme uniquement l'énergie photovoltaïque et éolienne, laissant de côté toutes les autres formes- c'est prohibitif.

Photo 2: Coût de production d'hydrogène à partir de différentes sources d'énergie
(Source de la photo: IEA, Coûts de production d'hydrogène par source de production, 2018, IEA, Paris)

L'auteur a déjà exprimé quelques perplexités sur le bavardage “économie de l'hydrogène” dans l'articleHydrogène issu du biométhane, biométhane d'hydrogène. Ici, il est utile de rappeler que la thermodynamique n'est pas un avis et que ses lois ne peuvent pas être dérogées avec une directive européenne. S'il y aura une entreprise sur”hydrogène propre” A l'avenir, on peut être sûr qu'il ne se développera que grâce aux subventions publiques, finalement payé de nos poches.
Pourquoi tant d'intérêt pour l'hydrogène si, comme nous le verrons plus tard, l'efficacité de son utilisation ne le justifie pas? La Photo 3 nous donne un indice sur quels pays seront les principaux bénéficiaires des subventions substantielles qui seront accordées au nom du Green deal, et quelle est la part de l'Italie. Tirez au lecteur ses propres conclusions.

Photo 3: Classification par nationalité des industries affiliées à Hydrogen Europe
(Source de la photo: pagina Hydrogen Europe, élaboration graphique par l'auteur)
Cliquez sur l'image pour l'agrandir

Technologies de production d'hydrogène

L’Alliance européenne pour l'hydrogène propre (Jeter) a été inauguré par une réunion d'experts et de fonctionnaires le 8 juillet 2020. D'elle déclaration il semble que la seule technologie pour produire “hydrogène propre” à la fois électrolyse de l'eau, utilizzando i surplus di energia eolica e fotovoltaica. Il motivo per il quale l’autore afferma in modo così categorico che una economia basata sull’idrogeno non possa essere competitiva senza sovvenzioni statali è che, alla data odierna, esistono solo tre modi di produrre idrogeno a scala industriale:

  1. Elettrolisi dell’acqua.
    Questa è la soluzione proposta durante la crisi del petrolio che caratterizzò gli anni ’70. La ragione si deve al concetto molto semplice – solo apparentemente – capace di catalizzare il favore di politici e opinione pubblica. La soluzione consiste in immagazzinare gli eccedenti d’energia solare fotovoltaica ed eolica sotto forma d’idrogeno ed ossigeno. Le alternative di sfruttamento sono: la vendita dell’ossigeno alle industrie per i loro processi produttivi e la distribuzione dell’idrogeno in sostituzione del gas naturale, oppure ricombinare idrogeno e ossigeno in celle a combustibile per soddisfare i picchi di domanda elettrica. I motivi per i quali entrambe le alternative fallirono negli anni della crisi petrolifera sono di tipo commerciale oltre che termodinamico e non hanno niente a che vedere con oscure cospirazioni delle lobby del petrolio, logge massoniche o “poteri forti”. Per quanto riguarda l’ossigeno, esistono metodi più economici ed efficienti per ricavarlo direttamente dall’atmosfera, laddove serva, senza necessità di separarlo dall’acqua, comprimerlo e trasportarlo in bombole. D'un autre côté, l’idrogeno non può sostituire il gas naturale per una lunga serie di motivi tecnici (vedasi l’articolo dell’autore citato prima). Per quanto riguarda invece la generazione elettrica di picco oppure, come nel caso del treno Coradia iLint, la sostituzione dei combustibili fossili nel settore dei trasporti, l’efficienza complessiva del ciclo non giustifica la soluzione proposta. Il rendimento dell’elettrolisi, con le migliori tecnologie attualmente disponibili, è del 70%. Significa che sarebbero necessari 6,299 kWh di energia elettrica per ogni chilogrammo di acqua per produrre 1,24 Nm3 di H2 e 0,622 Nm3 di O2 (Réf[je]). L’efficienza di generazione elettrica delle celle a combustibile va dal 40% al 60% (Réf.[ii] e[iii]). L’efficienza globale dell’intero ciclo è dunque compresa fra il 28% ed il 42%. Nella pratica è necessario considerare anche il consumo elettrico per produrre l’acqua demineralizzata necessaria per l’idrolisi, per il pompaggio della medesima nelle celle e, infine, per stoccare l’H2 e l’O2 in bombole ad alta pressione. Pertanto, il rendimento reale del ciclo sarebbe ancora più basso, ma sia l’ECHA che l’jeEA sorvolano tale aspetto del processo. A modo di riferimento, ricordiamo che un cogeneratore endotermico a biogas ha un’efficienza di generazione elettrica dell’ordine del 38%-42%.
  2. Idrogeno sottoprodotto dall’industria chimica.
    La produzione di soda caustica si realizza mediante l’elettrolisi di una soluzione di sale comune (ClNa) in acqua, ottenendo come sottoprodotto idrogeno e cloro. Anche la produzione di alcune plastiche genera idrogeno come sottoprodotto. L’idrogeno sottoprodotto industriale è certamente una risorsa da utilizzare laddove disponibile, ma di certo non può soddisfare la domanda energetica di un intero continente. In Italia l’idrogeno sottoprodotto dall’impianto petrolchimico di Marghera rappresenta l’ennesimo esempio di risorsa sprecata per colpa delle troppe leggi contraddittorie e dell’immobilismo burocratico (si tu vois, du même auteur, la vicenda del vaporetto ad idrogeno costruito a Venezia).
  3. Reazione fra carbonio e acqua.
    Il carbonio può reagire con l’acqua ad alte temperature, secondo le seguenti reazioni:
    • Reazione di spostamento del gas d’acqua, schematicamente rappresentata da: CO + H2O → CO2 + H2. La reazione è catalizzata da Fe2O3 o Cr2O3.
    • Gassificazione del carbone, C + H2O → CO + H2, è una reazione che avviene fra carbone e vapore acqueo a temperature maggiori di 1000 °C. Veniva utilizzata tra la fine del XIX secolo e i primi del XX per produrre il gas di città.
    • Reforming del gas naturale. La reazione CH4 + H2O → CO + 3H2 avviene tra metano e vapore acqueo ad una temperatura tra i 700 e i 1100 °C.

Poiché le biomasse vegetali sono composte all’incirca dal 50% C, 6% H, e 41% O (Réf.[iv]), la loro gassificazione a temperature maggiori di 1000 °C, con aggiunta di vapore, realizza le tre reazioni descritte sopra. le risultato è una miscela ricca di H2, chiamata syngas, dalla quale è relativamente facile separare l’anidride carbonica (CO2). Il processo di gassificazione delle biomasse è comunque più complesso ed inefficiente rispetto al reforming del gas naturale, motivo per il quale l’industria preferisce quest’ultimo. Se la politica decidesse d’incentivare la gassificazione di biomasse e penalizzare il reforming del gas naturale, donc si aprirebbe un nuovo mercato per le aziende agricole, quello dell'”hydrogène propre” prodotto con i loro scarti lignocellulosici.

Da un punto di vista prettamente termodinamico, la gassificazione della biomassa è più conveniente dell’elettrolisi dell’acqua perché utilizza il calore prodotto mediante la combustione di una frazione della biomassa. Secondo uno studio pubblicato dall’Iea (Réf.[v]), la produzione d’idrogeno mediante gassificazione della biomassa è fattibile a condizione che il processo non utilizzi aria bensì ossigeno puro e vapore, perché l’azoto atmosferico andrebbe a finire nel syngas, ed essendo un gas inerte poco solubile, è molto difficile da separare dall’idrogeno.

Lo studio in questione analizza i dati di tre impianti pilota (delle Università di Vienna, Stuttgart e l’Energy research center Netherlands) nei quali la gassificazione si realizza con il vapore generato dalla combustione delle biomasse mediante riscaldamento indiretto, utilizzando l’aria come comburente ma evitando nel contempo che l’azoto atmosferico finisca nel syngas. Tali tecnologie producono syngas con un tenore di H2 entre 27 e 45%. Lo studio dell’jeEA analizza inoltre le prestazioni di una nuova tecnologia, detta SER (Sorption Enhanced Reforming), che utilizza calce viva (OCa) iniettata nel gassificatore assieme alla biomassa con lo scopo di eliminare la CO2 durante la gassificazione e favorire la produzione di idrogeno. Durante le prove dei prototipi alle Università di Vienna e di Stuttgart, la tecnologia SER ha prodotto syngas con 73% di H2. L’efficienza complessiva della gassificazione della biomassa è del 69%, quindi quasi uguale a quella dell’elettrolisi dell’acqua, con il vantaggio di non dipendere dagli sbilanci fra generazione solare/eolica e domanda della rete. Lo studio economico indica che, allo stato attuale delle ricerche, la gassificazione di biomassa risulta economica solo se il prezzo dell’idrogeno è maggiore di 2,70 euro/chilogrammo.

Conclusions

Dalla Photo 2 osserviamo che l’idrogeno da carbone, o da gas naturale, risulta ancora il più competitivo. L'”hydrogène propre” propagandato dalla signora Von der Leyen e dal signor Timmermans, basato esclusivamente sull’elettrolisi dell’acqua mediante eccedenti di energia eolica e fotovoltaica, è concorrenziale solo se sovvenzionato con soldi pubblici. Desta sospetto, o quanto meno perplessità, il fatto che l’Ue intenda destinare cospicui finanziamenti pubblici alla tecnologia dell’elettrolisi, quando la stessa UE considera idrogeno e biometano come vettori energetici equivalenti.

La tecnologia per produrre biometano è decisamente più economica, ed il biometano è 100% compatibile con le infrastrutture esistenti: quindi per quale motivo destinare massicce risorse all’idrogeno? Sembra anche strano che il bioidrogeno prodotto mediante dark fermentation – una tecnologia molto simile a quella della digestione anaerobica – così come la gassificazione della biomassa non siano state minimamente considerate dalla classe politica di Bruxelles. Le tecnologie di gassificazione della biomassa più avanzate sono in grado di produrre syngas ad alto tenore di idrogeno, con la stessa efficienza energetica degli elettrolizzatori, ma sono ancora allo stadio sperimentale, per cui non rappresentano un’opportunità per le aziende agricole nel breve-medio termine.

Da un punto di vista puramente tecnico, possiamo dimostrare con certezza matematica che un treno diesel convenzionale, convertito per funzionare a biometano, avrebbe la stessa efficienza complessiva del Coradia iLint franco-tedesco. Tale conversione è perfettamente alla portata delle officine delle Ferrovie Italiane, richiederebbe solo una modesta spesa – tra l’altro non soggetta al pagamento di royalties ad aziende estere – e l’acquisto di biometano da parte del Gruppo FS favorirebbe le aziende agro-energetiche nostrane.

Bibliographie

[je] Università di Napoli, Corso di tecnologie energetiche, Modulo tecnologia dell’idrogeno.
[ii] Marina Ronchetti; Celle a combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia; pubblicazione dell’Enea, 2008.
[iii] US D.O.E., Fuel cells fact sheet.
[iv] Channiwala S.A., On biomass gasification process and technology developments. PhD Thesis, Mechanical engineering department, Iit, Mumbai 1992). I valori ottenuti dal Channiwala sono riportati nel sito della Biomass energy foundation.
[v] Matthias Binder, Michael Kraussler, Matthias Kuba, and Markus Luisser; Hydrogen from biomass gasification, Iea Bioenergy; ISBN 978-1-910154-59-5, 2018.

5 Replies to “Biomasse hydrogène et Green Deal: Il est possible de contourner les lois de la thermodynamique avec une directive CE?”

  1. Grazie di questo approfondito dettaglio sull’argomento “Idrogeno”, divenuto così di moda nell’ambito UE.

    Al riguardo segnalo un interessante articolo recente dell’amico Prof. Samuele Furfari sempre sul tema “Idrogeno” che potrebbe risultare utile a complemento di quanto ottimamente scritto dal Dr. Mario Rosato qui sopra:

    “https://www.latribune.fr/opinions/hydrogene-enieme-utopie-de-l-ue-ou-comment-se-chauffer-en-brulant-des-sacs-louis-vuitton-853316.html?utm_source=Energy+geopolitics&utm_campaign=9d8b65cbf5-EMAIL_CAMPAIGN_2020_07_22_04_39&utm_medium=email&utm_term=0_1fc3386348-9d8b65cbf5-413909217 “

  2. Penso che non ci sia da scomodare troppo la Termodinamica per rendere evidente che c’è un’azione di lobbying dietro questa nuova politica che supporta la diffusione dell’idrogeno.
    Avvenne negli anni ‘90 (ma anche prima negli anni ‘60 collegato col nucleare) ed ora si ripresenta. Per l’Italia sarà da acquistare tutta tecnologia straniera (da cui i notevoli fondi fornitici). Ma questo già vale per il settore del biogas. Si risolverà in un grande flop dovuti agli intrinseci alti costi (vedi auto elettrica).

    1. Sono d’accordo che c’è una certa confusione sull’idrogeno. Certamente ha la sua attrattiva come combustibile pulito, ma si tende a confonderlo con una fonte energetica, mentre non è che un vettore e non senza complicazioni tecniche nel suo stoccaggio. Quanto alle lobby, ce ne sono per tutte le energie e non ci vedo niente di male nel propugnare le proprie ragioni. Meno condivisibile trovo la preoccupazione per l’acquisto di tecnologia straniera, tanto più che proprio il settore del biogas sta a dimostrare che l’industria italiana ha saputo rafforzarsi in questo settore ed oggi i tre leader del settore sono tutti italiani e stanno consistentemente esportando tecnologia in tutto il mondo. Per non parlare del settore del gas naturale e del biometano, su cui l’Italia ha storicamente una chiara leadership.

  3. Sarebbe però opportuna una seria riflessione se siano davvero utilmente spesi (visto che vengono prelevati dalle Bollette dei consumatori elettrici) questo immane volume di risorse economiche per finanziare questo o quel settore opportunista , sulla base di un’ideologia (quella del clima che è stravolgente per chi volesse semplicemente approfondire il tema , esaminando proprio la storia del clima anche solo negli ultimi 2-3.000 années!
    Forse è arrivata l’ora di darci un taglio nell’interesse di tutti e soprattutto dei consumatori elettrici che da molti anni pagano il balzello in Bolletta e questo continuerà almeno fino al 2032.

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