Idrogeno come alternativa energetica: LCA della produzione di idrogeno mediante energia elettrica da diverse fonti

This study is performed in the context of the global energy transition, aiming at evaluating hydrogen as a sustainable alternative to fossil fuels from an environmental perspective. After examining the potential and challenges of hydrogen, with a particular focus on “green” hydrogen (produced through water electrolysis powered by renewable energy sources) the study introduces the most common types of electrolysers and compares their environmental performance through information reported in literature studies. Subsequently, the analysis focuses on assessing the environmental impacts of producing one tonne of hydrogen using a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyser powered by electricity from various sources, including electric grid, renewable wind energy, and energy from waste-to-energy plants. This evaluation is conducted by applying the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The system consists of the electrolyser and its auxiliary components. The analysis is performed using SimaPro 9.6 software and investigates 16 impact categories included in the Environmental Footprint 3.1 impact assessment method. The data used for the study comes partly from a company in northern Italy planning to build the plant and partly from literature and the ecoinvent database. The study demonstrates the central role of the chosen energy source in determining the environmental impact of the electrolyser used for hydrogen production and also examines the environmental impact of the materials used in the plant. Regarding the construction of the electrolyser, the use of critical materials, such as rhodium, platinum, titanium, and Nafion, must be reduced to improve the sustainability of the process. Furthermore, the analysis highlights that powering the plant with renewable sources, such as wind energy, leads to significant environmental benefits, reducing impacts across all analysed categories. The comparison with other hydrogen production methods, such as methane steam reforming, shows that the PEM electrolyzer powered by renewable energy offers clear advantages in terms of mitigating climate change, reducing the consumption of non-renewable energy resources, minimizing ozone layer depletion, and lowering human carcinogenic toxicity. However, it shows a less marked reduction in non-carcinogenic human toxicity and photochemical ozone formation, while being less efficient across the remaining ten impact categories. A deeper analysis of the causes of these differences would help clarify the most environmentally advantageous production choice. Finally, the comparison with a scenario where electricity is sourced from the energy recovery of residual municipal waste shows strong reductions of impacts across all categories except for mineral and water resource consumption.

Il presente studio si inserisce nel contesto della transizione energetica globale, con l’obiettivo di valutare l’idrogeno come alternativa sostenibile ai combustibili fossili da un punto di vista ambientale. Dopo aver esaminato le potenzialità e le sfide dell’idrogeno, con particolare attenzione all’idrogeno “verde”, ovvero quello prodotto tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da fonti rinnovabili, si introducono le tipologie di elettrolizzatori più comuni e si confrontano le loro prestazioni ambientali attraverso studi presenti in letteratura. In seguito, l’analisi si concentra sulla valutazione degli impatti ambientali della produzione di una tonnellata di idrogeno tramite un elettrolizzatore PEM (Proton Exchange Membrane) mediante elettricità da diverse fonti: rete elettrica, energia rinnovabile eolica ed energia da termovalorizzatore. Questa valutazione è eseguita applicando la metodologia dell’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA). Il sistema è costituito dall’elettrolizzatore e dai sistemi ausiliari ad esso annessi. L’analisi è svolta tramite l’utilizzo del software SimaPro 9.6 e indaga 16 categorie d’impatto incluse nel metodo di valutazione degli impatti ambientali Environmental Footprint 3.1. I dati utilizzati per lo studio provengono in parte da una società del nord Italia che ha progettato di costruire l’impianto e in parte da letteratura e dalla banca dati ecoinvent. Lo studio dimostra il ruolo centrale in termini di impatto ambientale della fonte energetica scelta per alimentare l'elettrolizzatore usato per la produzione di idrogeno e indaga l'impatto ambientale anche dei materiali utilizzati nell’impianto. Per la costruzione dell’elettrolizzatore emerge che i materiali quali il rodio, il platino, il titanio e il Nafion, sono i maggiori impattanti e pertanto il loro utilizzo deve essere ridotto per migliorare la sostenibilità del processo. L’analisi evidenzia, inoltre, che alimentare l’impianto con fonti rinnovabili, quale l’energia eolica, permette significativi benefici ambientali, riducendo gli impatti in tutte le categorie analizzate. Il confronto con altri metodi di produzione dell’idrogeno, come lo steam reforming del metano, mostra che l’elettrolizzatore PEM alimentato da energie rinnovabili presenta vantaggi netti in termini di contrasto al cambiamento climatico, al consumo di risorse energetiche non rinnovabili, alla riduzione dello strato di ozono e alla tossicità umana cancerogena, una riduzione meno marcata rispetto al contrasto alla tossicità umana non cancerogena e alla formazione di ozono fotochimico, mentre per le rimanenti dieci categorie risulta meno performante. Un'analisi approfondita delle cause di queste differenze chiarirebbe la scelta di produzione più vantaggiosa per gli impatti ambientali. Infine, il confronto con uno scenario di prelievo dell’energia elettrica da termovalorizzazione del rifiuto urbano residuo evidenzia forti riduzioni degli impatti in tutte le categorie, eccetto che per il consumo di risorse minerali e idriche.