Convertire energia elettrica “verde” per l’energy storage o la produzione chimica sostenibile: sono alcune delle finalità del Power-to-X, le cui applicazioni favoriranno un futuro energetico più ecologico
Power-to-X è un elemento abilitante la transizione verde. È un termine generico utilizzato per rappresentare tutti i percorsi per lo stoccaggio energetico di grande taglia, ma anche per la conversione e la riconversione dell’energia in vari vettori energetici. Ma, nello specifico, con power s’intende l’energia elettrica, sotto forma di input energetico a qualunque processo esso sia collegata: la X, appunto, che è una variabile che significa genericamente everything. Il termine Power potrebbe, anzi potrà in un prossimo futuro, evolvere verso il termine energy e intendere ogni forma di input energetico, non solo elettrico, ma termico o fotonico.
Restiamo però all’attualità: Power-to-X considera l’elettrificazione dei processi, ma si declina in svariati percorsi che includono tecnologie di energy storage alternative per l’utilizzo dell’elettricità in eccesso da fonti energetiche rinnovabili e per la riduzione delle emissioni di gas serra e tecnologie di produzione di chemicals sintetici. Questi percorsi P2X possono essere impiegati per convertire l’elettricità rinnovabile in eccesso e l’anidride carbonica in prodotti strategici come combustibili sintetici e prodotti chimici. In questo senso, Power-To-X assume un’importanza cruciale nella transizione verde, svolgendo il compito di medium verso la sostituzione delle tecnologie convenzionali basate sui combustibili fossili. Un’analisi condotta da Boston Consulting Group conferma che:
“Il settore PtX sta vivendo un forte slancio, guidato dalle politiche climatiche e dalle ambizioni di zero emissioni nette, nonché dai miglioramenti della redditività derivanti dai continui progressi tecnologici. La crescita del settore è supportata anche da pacchetti di stimoli verdi, come il piano NextGen EU in Europa e l’Infrastructure and Investment Jobs Act negli Stati Uniti.”
Takeaway
L’importanza del Power-to-X per la transizione verde
Power-to-X è essenziale per costituire una società senza combustibili fossili che continui a soddisfare un crescente bisogno di energia. Tuttavia, se si vuole implementare la transizione energetica verso la decarbonizzazione dei processi, occorre essere in grado di immagazzinare l’energia dalle fonti rinnovabili a maggiore sviluppo (fotovoltaico ed eolico), ma intermittenti. C’è anche bisogno di utilizzare combustibili sostenibili per il traffico pesante (aerei, navi, camion) e feedstocks chimici/energetici per quelle parti dell’industria manifatturiera che non possono essere immediatamente elettrificate. Power-to-X può affrontare entrambe queste sfide.
Dalla produzione di idrogeno verde all’impiego virtuoso della CO2, non c’è campo applicativo energetico/industriale che non preveda un ruolo determinante del Power-to-X. Pensiamo alla geotermia: negli ultimi anni sono stati annunciati diversi progetti che utilizzano l’energia geotermica. Alcuni progetti sono già in corso o in fase di pianificazione. Ad esempio, Reykjavik Energy in Islanda gestisce elettrolizzatori che producono idrogeno impiegando 750 kW di energia geotermica. In Kenya, Oserian Development Company sta conducendo uno studio di fattibilità per un impianto di produzione di ammoniaca sintetica e fertilizzanti usando 70 MW di energia geotermica. Altri paesi come Cile ed El Salvador hanno condizioni favorevoli per la produzione geotermica PtX.
Come spiega Massimo Santarelli, docente del Dipartimento Energia al Politecnico di Torino,
«Uno degli aspetti più interessanti che vedono protagonista il P2X è la produzione di sostanze chimiche tramite processi sintetici, come il metanolo, l’ammoniaca, l’etilene. Sono molecole producibili non più mediante combustibili fossili, ma impiegando elettricità da fonti rinnovabili e feedstock massici quali acqua insieme ad anidride carbonica ed azoto (quindi, aria): quindi, come input si usa potenza elettrica si elaborano le molecole con processi noti (Fischer-Tropsch, per esempio, o Haber-Bosch per la sintesi dell’ammoniaca)».
Il termine ha assunto importanza su scala mondiale, tanto da essere il tema portante di un vertice internazionale, il World Power-to-X Summit, tenutosi lo scorso settembre a Marrakech.
Al centro dell’evento sono state le tante testimonianze riguardanti casi d’uso con al centro l’idrogeno verde e la produzione di combustibili “puliti”, fattori cardine del processo P2X.
Idrogeno verde e P2X: un legame prezioso, ecco perché
Più volte citato, l’idrogeno verde è un elemento fondamentale nel processo Power-to-X. Può a sua volta essere utilizzato come molecola piattaforma di altri combustibili “verdi”, come l’e-metanolo per la navigazione, l’e-cherosene per l’aviazione e l’e-ammoniaca per uso industriale nei fertilizzanti o come carburante per le spedizioni navali.
Per questo sono già stati avviati svariati progetti su scala industriale per produrlo, mediante Power-to-X. La Danimarca è un Paese particolarmente attivo. A questo proposito, la società GreenGo Energy ha presentato un progetto da 8 miliardi di euro, denominato Megaton Energy Park, per produrre più di un milione di tonnellate di “carburanti verdi” utilizzando 2GW di idrogeno verde alimentato da 4GW di energia eolica e solare onshore e offshore.
“I 4GW di progetti eolici e solari, inclusi 2GW di eolico offshore – che proverranno dal portafoglio di sviluppo esistente di GreenGo – produrranno 11,5 TWh all’anno, l’equivalente di oltre il 30% del consumo energetico totale della Danimarca.”
Più di 1 TWh di calore in eccesso derivante dal progetto Power-to-X sarà utilizzato anche dal sistema di teleriscaldamento locale e da nuove attività produttive come le serre e vertical farm adiacenti alla struttura.
Più di recente cinque aziende high-tech e innovative della Sealandia, la maggiore isola del Paese danese, collaborano allo sviluppo di tecnologie possono rendere più economica la produzione di idrogeno e carburanti verdi. Per questo hanno avviato il progetto PtX Cluster Zealand, contando sulla collaborazione sinergica con attori dell’industria e della ricerca.
Finanziato da REACT-EU e dal Business Promotion Board danese, PtX Cluster Zealand intende ridurre i costi di produzione Power-to-X fino al 20%.
Sempre in tema di P2X e idrogeno va segnalato anche l’attività dell’italiana Saipem ha ottenuto un contratto FEED (Front End Engineering Design) per sviluppare un impianto Power-to-X su scala industriale in Nord Europa.
Un futuro senza fossili, anche grazie al Power-to-X
L’impiego del Power-To-X apre allo sviluppo di elementi di fondamentale importanza per molti processi industriali e dei trasporti, ma anche per la produzione di elementi chimici senza usare più fonti fossili.
«Pensiamo solo alle potenzialità che l’input elettrico può avere per convertire molecole in fase molto stabile come l’acqua e l’anidride carbonica, dalla cui opportuna manipolazione si può dar vita a svariate molecole utili per diversi utilizzi, abilitando così l’elettrificazione anche dell’ambito chimico», specifica ancora Santarelli.
Un esempio: da acqua e anidride carbonica si può generare metanolo, impiegando elettricità da rinnovabili per l’elettrolisi. Si possono usare acqua di mare (con processi di elettrolisi in via di implementazione) e diossido di carbonio sequestrato in atmosfera, per esempio mediante cattura diretta dall’aria (DAC), rendendo decisamente più ecologico un processo che potrebbe avere criticità (disponibilità di H2O, disponibilità locale di CO2). La già citata Islanda è il primo Paese al mondo che sta producendo metanolo da questi tipi di processi ma in modo proprio massivo che ne hanno fatto business producono e li usano come input le loro fonti che sono essenzialmente idroelettrico e geotermico.
L’impianto da CO2 a metanolo proposto da George Olah, messo in servizio nell’aprile 2012, produce circa 5 milioni di litri/anno di metanolo rinnovabile e cattura e converte fino a 5600 tonnellate di CO2/anno. La tecnologia “Power to Methanol” produce così metanolo rinnovabile da anidride carbonica, idrogeno ed elettricità. Prodotto in una centrale geotermica, combina l’unica fonte di energia verde in Islanda con l’innovazione tecnologica.
Storage e chimica: le potenzialità più interessanti del P2X
Le potenzialità più significative del Power-to-X sono rappresentate dalla possibilità di effettuare energy storage di grandi dimensioni e dalla produzione green di sostanze in forma sintetica. «Pensiamo solo agli e-fuels: essi potranno essere generati in modo sostenibile, alimentando navi o aerei, per esempio», rileva il docente del Politecnico di Torino, che – tra l’altro – coordina il primo master universitario italiano interamente dedicato alla filiera dell’idrogeno, specialmente green hydrogen. È proprio lui a spiegare che le tecnologie più promettenti guardano all’ambito elettrochimico: gli elettrolizzatori, per lo più sono conosciuti per produrre idrogeno verde tramite elettrolisi dell’acqua, scomponendola in idrogeno e ossigeno. Tuttavia possono essere impiegati per “rompere” la CO2 e altre molecole sfruttando le sue caratteristiche di cella elettrochimica che attiva una reazione inversa usando appunto energia elettrica rinnovabile come input.
Le condizioni per trasformarle in applicazioni su scala industriale ci sono: per ora a livello economico sono meno convenienti di produzioni che sfruttano i fossili. Ma con i processi di decarbonizzazione sempre più spinti, e con un progressivo sviluppo dell’energia da fonti rinnovabili destinata a essere prevalente da qui al 2030 o poco più avanti, i processi e i prodotti abilitati mediante Power-to-X sono pronti ad assumere un rilievo sensibile.
Progetti di ricerca e futuro del Power-to-X
Segno caratteristico del clima in fermento sul tema, continuano a svilupparsi un po’ ovunque progetti di ricerca in chiave Power-to-X. In Germania il Progetto Kopernicus ne comprende diversi e li localizza in una specifica mappa.
Tra le attività di ricerca nel campo P2X vanno ricordati anche due progetti che vedono l’Italia bene rappresentata da enti e aziende. In uno, ECOLEFINS, di cui si è tenuto il kick-off meeting proprio in questi giorni, è coinvolto il Politecnico di Torino, con un team di ricerca che vede attivo anche Massimo Santarelli. Il progetto intende stabilire un nuovo paradigma 100% elettrico per l’elettro-conversione di anidride carbonica e acqua in olefine, elementi chiave per i polimeri e altri prodotti chimici di uso quotidiano e che oggi sono normalmente prodotti con petrolio e derivati.
Si concluderà nel 2024 il progetto europeo FLEXnCONFU (acronimo che sta a indicare la volontà di “FLExibilizzare” centrali elettriche a ciclo combinato attraverso soluzioni power-to-X che utilizzano combustibili non CONvenzionali), finanziato dall’UE con oltre 9 milioni, è guidato dall’italiana Rina Consulting. Intende sviluppare soluzioni power-to-X-to-power da integrare nelle centrali elettriche esistenti e nuove per livellare il carico e sbloccare la loro flessibilità. La finalità, come si spiega in una nota è:
“convertire l’elettricità in idrogeno o ammoniaca a loro volta riutilizzati localmente nella stessa centrale elettrica per rispondere a una domanda variabile, riducendo così nel tempo il loro impatto ambientale”.
Un sistema power-to-hydrogen-to-power da 1 MW sarà integrato in un ambiente operativo reale in Portogallo, mentre una soluzione power-to-ammonia-to-power sarà abbinata a un impianto debitamente modificato per consumare ammoniaca nel laboratorio Smart Microgrid di Savona.
Le attività di ricerca intendono sviluppare soluzioni tecnologiche che vedranno un impiego concreto nel prossimo futuro. E se oggi si guarda con interesse alle applicazioni del Power-to-X che mettono al centro l’impiego dell’elettricità, in un domani non così lontano si prevede l’adozione di forme di energia termica o quella fotonica. Utilizzare i fotoni anziché gli elettroni richiede molta meno energia primaria (in quanto non si effettua lo step di produzione del vettore elettrico) e sviluppa molto meno calore. Pensiamo alla fotocatalisi, o fotosintesi artificiale, che avvia la conversione chimica utilizzando proprio l’energia fotonica. Ecco, allora, alcuni degli elementi che potranno prefigurare il futuro del Power-to-X, in nuovi e ancora più interessanti sviluppi a beneficio dell’energia e della sostenibilità.
