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Sempre più brevetti per l’uso dell’idrogeno verde

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Report della IEA ed EPO fotografano la situazione dei brevetti relativi alle tecnologie a idrogeno depositati nel periodo 2011-2020. Cresce l’interesse per l’idrogeno verde come vettore energetico soprattutto da impiegare in quei settori difficili da decarbonizzare, come l’industria dell’acciaio, ma anche nel settore dei trasporti. Diversi Paesi si dotano di piani per sviluppare le tecnologie a idrogeno: e l’Italia? 

Crediti immagine: Roman/Pixabay

Nel 2021 la domanda globale di idrogeno è stata di circa 94 Mt; di questi, 40 Mt sono stati impiegati dal settore della raffinazione del petrolio o come reagente o come fonte di energia. I restanti 50 Mt di idrogeno sono stati utilizzati dall’industria chimica, di questi: tre quarti sono stati destinati alla produzione di ammoniaca per fertilizzanti, esplosivi e altri prodotti chimici; un quarto per la produzione di metanolo per solventi, carburanti e prodotti petrolchimici.

Secondo la International Energy Agency (IEA), l'idrogeno e i suoi derivati ricoprono un ruolo importante nella decarbonizzazione dei settori hard to abate, cioè quei settori in cui le emissioni di anidride carbonica sono difficili da abbattere, come nell'industria pesante, la navigazione, l'aviazione e il trasporto pesante.

L’impiego dell'idrogeno sta crescendo in diversi settori, in particolare in quello siderurgico, responsabile di circa il 5% delle emissioni di CO2 nell'UE e del 7% a livello globale e in quello dei trasporti, che nel 2021 ha contribuito per circa il 20% alle emissioni globali di CO2.

Dal lato dell'offerta, la capacità produttiva degli elettrolizzatori è raddoppiata a partire dal 2021, raggiungendo quasi 8 GW all'anno; la realizzazione di tutti i progetti in cantiere potrebbe portare a una capacità installata di elettrolizzatori pari a 134-240 GW entro il 2030, il doppio delle attese rispetto allo scorso anno.

I brevetti come indicatori delle prospettive per il settore dell’idrogeno

Un punto di vista privilegiato, per analizzare gli sviluppi futuri delle tecnologie a idrogeno, lo offre il report Hydrogen patents for a clean energy future pubblicato dalla IEA e dall’European Patent Office (EPO) a gennaio 2023. Il rapporto analizza le tendenze delle tecnologie relative all’idrogeno nel periodo che va dal 2011 al 2020, misurate in termini di famiglie di brevetti internazionali (International Patent Families, IPF). Ogni famiglia di brevetti rappresenta una stessa invenzione per cui sono stati depositati domande di brevetto in più paesi.

I brevetti, infatti, sono il primo segnale di innovazione industriale e consentono un'analisi globale delle tendenze su una vasta gamma di tecnologie suddivise in tre settori chiave: produzione dell’idrogeno; stoccaggio, distribuzione e trasformazione; usi finali. In generale, circa la metà dei brevetti internazionali relativi a tecnologie legate all'idrogeno, nel periodo 2011-2020, erano relativi alla produzione, mentre i restanti brevetti erano suddivisi tra le applicazioni finali dell'idrogeno e tecnologie per lo stoccaggio, la distribuzione e trasformazione dell'idrogeno. Va segnalato che lo sviluppo della tecnologia per la produzione dell’idrogeno si sta spostando sempre di più verso soluzioni a basse emissioni, come l’elettrolisi; infatti, l’80% dei brevetti depositati nel 2020 erano motivate dalle preoccupazioni per i cambiamenti climatici.

A livello globale, rispettivamente con il 28% e il 24%, UE e Giappone hanno il maggior numero di brevetti sulle tecnologie relative all’idrogeno in tutti e tre i settori monitorati. Gli Stati Uniti invece hanno contribuito con solo il 20 per cento, perdendo terreno nel periodo 2011-2020. Mentre l'innovazione relativa all'idrogeno, proveniente dalla Corea del Sud e dalla Cina, ha appena iniziato a emergere a livello internazionale, aumentando costantemente nel periodo 2011-2020, con tassi di crescita annui medi rispettivamente del 12,2% e del 15,2%, con una grande attenzione da parte della Corea del Sud agli usi finali dell'idrogeno.

Figura 1 Percentuale di brevetti internazionali nelle principali regioni del mondo per segmenti della catena del valore (2011-2020) Fonte report IEA, rielaborazione Scienza in rete

Il numero di brevetti nelle tecnologie emergenti è trainato dall'industria automobilistica. Dal 2001, sono stati depositati più brevetti per le applicazioni automobilistiche che per tutti gli altri usi emergenti dell'idrogeno. I brevetti in questo settore sono cresciuti a un tasso medio annuo del 7% nell'ultimo decennio. In merito al trasporto su strada, adesso la gran parte delle domande di brevetto depositate riguarda il trasporto pesante, dove si ritiene che l'idrogeno sia più competitivo rispetto alle batterie. Se nel settore automobilistico sono le aziende giapponesi e sudcoreane a primeggiare, allargando lo sguardo a tutto il comparto dei trasporti, troviamo gli Stati Uniti tra i principali protagonisti per le applicazioni dell’idrogeno nell’aviazione, mentre gli europei si distinguono per quelle nel trasporto marittimo.

Con il 52% dei brevetti depositati nel periodo 2011-2020, il Giappone detiene la leadership anche per gli impieghi dell’idrogeno negli edifici, per il riscaldamento, la cucina e l’energia elettrica. Tuttavia, in questo settore si osserva un calo dei brevetti, che sembra correlato alle crescenti aspettative per le batterie come mezzo per immagazzinare l’energia elettrica. Inoltre, il livello più elevato di brevetti, che si è registrato tra il 2005 e il 2015, è probabilmente effetto del sostegno ricevuto dal governo, infatti, diversi programmi hanno cercato di sviluppare "micro" celle a combustibile per edifici, in alternativa al gas naturale.

Altre applicazioni emergenti dell’idrogeno sono relative alla produzione di ferro e acciaio. Il 40 per cento dei brevetti nel periodo 2011-2020 si è concentrato tra un piccolo numero di produttori di acciaio prevalentemente europei. Il primo progetto pilota in cui si utilizza idrogeno al 100% per la riduzione dell’ossido di ferro è entrato in funzione in Svezia nel 2021 e i primi impianti industriali sono attualmente in costruzione, uno in Svezia, o in fase avanzata di progettazione in Germania, Spagna e Cina. Se tutti saranno completati come previsto, il loro funzionamento richiederà la produzione di 1,8 Mt di idrogeno a basse emissioni entro il 2030.

Dai dati sui brevetti depositati, si osserva un crescente interesse verso l’idrogeno come soluzione alternativa per lo stoccaggio di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, consentendo così di far fronte agli squilibri tra domanda e offerta causati dalla naturale intermittenza di queste fonti.

Figura 2 Trend dei brevetti per usi finali dell'idrogeno depositati nel periodo 2001-2020. Fonte report IEA

Il numero di brevetti depositati per la produzione di ammoniaca e metanolo a partire dall’idrogeno è cresciuto costantemente dal 2001 al 2020. Ciò è dovuto da una parte agli sforzi per ridurre il significativo impatto climatico dei loro processi produttivi, dall’altra al recente interesse per queste molecole come combustibili a base di idrogeno da destinare alla produzione di energia e al settore dei trasporti, sebbene, in quest’ultimo ambito, l'innovazione nei motori a combustione interna e nelle turbine che utilizzano l'idrogeno, l'ammoniaca o il metanolo come combustibile, non sia ancora stata incentivata dalle recenti politiche a favore dell'idrogeno.

Gli incentivi per l’industria dell’idrogeno

Il crescente interesse verso l’idrogeno come vettore energetico, infatti, è stato incentivato da diverse misure a sostegno di questo settore. La Commissione Europea, per esempio, nel piano REPowerEU ha definito l'idrogeno rinnovabile come «fondamentale per sostituire il gas naturale, il carbone e il petrolio nelle industrie e nei trasporti difficili da decarbonizzare». Nello specifico, il piano stabilisce che entro il 2030 l’Unione Europea dovrà essere in grado di produrre internamente 10 milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile e altrettanti dovranno essere importati. Per facilitare l'importazione di idrogeno rinnovabile, la Commissione sosterrà lo sviluppo di tre grandi corridoi di importazione attraverso il Mediterraneo, attraverso l'area del Mare del Nord e, non appena le condizioni lo consentiranno, con l'Ucraina.

Nel novembre 2021, il Congresso americano ha approvato l'Infrastructure Investment and Jobs Act con cui ha stanziato 62 miliardi di dollari per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), di cui 9,5 miliardi per l'idrogeno verde. Inoltre, nell'agosto 2022, il presidente ha firmato l'Inflation Reduction Act (IRA), che prevede politiche e incentivi aggiuntivi per l'idrogeno, incluso un credito d'imposta sulla produzione che rafforzerà ulteriormente il mercato statunitense per l'idrogeno verde.

Per quanto riguarda l’Italia, il Piano nazionale di ripresa e resilienza (PNRR), all’interno della componente 2 della seconda missione, destina 3,64 miliardi allo sviluppo dell’idrogeno. I fondi stanziati sono destinati alla produzione dell’idrogeno in aree industriali dismesse (hydrogen valleys), utilizzo dell'idrogeno in settori hard to abate, sperimentazione dell'idrogeno per il trasporto stradale e ferroviario, ricerca e sviluppo sull'idrogeno; quest’ultima tecnicamente ripartita tra due linee di investimento la 3.5 e la 5.2.

Come ci conferma Cristina Maggi direttrice di H2IT, l'Associazione Italiana per l'Idrogeno e Celle a Combustibile: «con la pubblicazione da parte del Ministero dell'Ambiente e della Sicurezza Energetica del Bando tipo, le regioni stanno procedendo con l’apertura delle call per la realizzazione delle hydrogen valleys e delle stazioni di rifornimento, mentre a breve si aprirà quella del settore hard to abate».

 


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