L'importanza strategica dell'idrogeno offshore nella transizione energetica globale

La produzione di idrogeno offshore si colloca all'incrocio di due delle tendenze più promettenti nell'energia pulita: la rapida espansione della potenza eolica offshore e la crescente domanda di idrogeno verde come mezzo di alimentazione industriale, combustibile e mezzo di stoccaggio dell'energia.

La produzione di idrogeno attuale è dominata dalla riforma del metano del vapore del gas naturale, emettendo circa 830 milioni di tonnellate di CO2 all'anno. Rimozione di questo con l'idrogeno prodotto da energia rinnovabile, il cosiddetto idrogeno verde, è essenziale.

L'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) progetti che la domanda globale di idrogeno potrebbe raggiungere 150 milioni di tonnellate entro il 2030 sotto il suo scenario Net Zero Emissions, con il paesaggio a basse emissioni di idrogeno che rappresenta una quota crescente. La produzione offshore dovrebbe contribuire in modo significativo, soprattutto nelle regioni con forti risorse eoliche offshore come il Mare del Nord, le coste del Giappone e della Corea, e la chiave di Atlantico statunitense.

Perché i materiali idrogeno offshore

  • L'accesso alle risorse eoliche abbondanti e coerenti[[] – Le velocità del vento offshore sono tipicamente più elevate e più coerenti rispetto all'onshore, portando a fattori di capacità superiori (50–60% contro il 30–40% onshore) che migliorano l'economia dell'elettrolisi, che beneficiano di un funzionamento costante e ad alta utilizzazione.
  • Conflitti di uso del suolo[[] – I progetti di energia rinnovabile onshore affrontano sempre più la concorrenza terrestre da agricoltura, conservazione e comunità.
  • Potential per la produzione su larga scala in un unico luogo[[[] – Le aziende eoliche offshore possono raggiungere scala gigawatt, integrando l'elettrolisi dell'idrogeno in quella scala crea un unico hub energetico integrato capace di alimentare complessi industriali multipli.
  • La sinergia con l'infrastruttura offshore del petrolio e del gas[[[]] – piattaforme mature, sottomarine pipeline e navi di servizio offshore possono essere riadattate per la produzione e il trasporto di idrogeno, riducendo le spese di capitale e consentendo una giusta transizione per la forza lavoro.
  • Esportazione diretta verso i mercati globali[[[] – L'idrogeno offshore può essere spedito come idrogeno liquido, ammoniaca o tramite gasdotti esistenti convertiti in idrogeno di trasporto, aprendo rotte commerciali internazionali per l'energia rinnovabile.

Pilastri tecnologici di produzione idrogeno offshore

Offshore hydrogen production requires adapting established technologies—electrolysis, wind turbines, and offshore engineering—to the corrosive, dynamic, and isolated environment of the sea. Several promising configurations are being developed and piloted worldwide.

Sistemi di elettrolisi per ambienti marittimi

L'elettrolisi divide l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità. Per uso offshore, tre tipi principali sono considerati:

  • PEM (Proton Exchange Membrane) elettrolisi[[ – Compact, può rispondere rapidamente alla fluttuazione dell'energia eolica e opera a temperature moderate.
  • Elettrolisi alcalina[[] – Più maturo e più basso costo, ma più grande e lento per dilagare.
  • Elettrolisi ossida solida[[] – Funziona ad alte temperature, offrendo maggiore efficienza ma richiedendo fonti di calore stabili. Non ancora provata in un ambiente marino ma promettente per futuri sistemi integrati con calore di scarto dai processi industriali.

I ricercatori stanno sviluppando catalizzanti e membrane che possono gestire i sali e le impurità in acqua di mare, semplificando drasticamente il sistema offshore. Tuttavia, la maggior parte dei progetti attuali includono ancora un'unità di osmosi inversa per produrre acqua dolce per l'elettrolizzatore, come l'acqua pura estende significativamente la durata di vita delle membrane.

Piattaforme di idrogeno a vento galleggiante

Combinando una turbina eolica galleggiante con un'unità elettrolizzante sulla stessa piattaforma o su un galleggiante separato è la più futuristica, e rapidamente in fase di maturazione, configurazione, che elimina la necessità di un cavo elettrico sottomarino ad una sottostazione offshore, invece inviando l'idrogeno direttamente tramite un condotto o conservandolo per un ulteriore scarico.

  • PosHYdon (Paesi Bassi)[] – Il primo pilota di idrogeno offshore al mondo, integrando un elettrolizzatore PEM da 1 MW su una piattaforma di petrolio e gas nel Mare del Nord.
  • Dolphyn (UK)[] – Un progetto di ERM che mette un elettrolizzatore direttamente su una piattaforma di turbine eoliche galleggianti, producendo idrogeno che viene poi esportato tramite un condotto.
  • H2Floating (Francia)[] – Una collaborazione con una turbina eolica galleggiante con un sistema avanzato di elettrolisi delle acque marine, che si rivolge a 100 MW negli anni 2030.

Le piattaforme galleggianti sono particolarmente attraenti per i siti di acque profonde (oltre 60 metri di profondità) dove le turbine a fondo fisso sono poco economiche, e aprono vaste aree offshore nelle coste del Mediterraneo, dell'Atlantico e del Pacifico.

Integrazione con l'esistente infrastrutture di petrolio e gas

Molte piattaforme hanno già alimentazione, trattamento dell'acqua e gasdotti. Il progetto Nord []] nel Mare del Nord dimostra come una piattaforma di gas di invecchiamento può essere convertita in un hub di produzione di idrogeno. In questo schema, il gas naturale viene riformato in idrogeno con cattura e stoccaggio del carbonio (idrogeno blu) inizialmente, poi è stato trasformato in idrogeno verde.

Le condotte subacquee progettate per il gas naturale possono essere convertite in idrogeno con modifiche quali guarnizioni, compressione e monitoraggio per l'embrittlement dell'idrogeno. L'iniziativa europea di Backbone dell'idrogeno prevede di riesaminare il 40% delle tubazioni di gas naturale esistenti per l'idrogeno entro il 2040, con molte sezioni offshore che svolgono un ruolo chiave.

Soluzioni di stoccaggio e trasporto per idrogeno offshore

L'idrogeno offshore è fondamentale per decoupling produzione dalla domanda e per la spedizione di idrogeno ai mercati onshore. I metodi di stoccaggio devono essere sicuri, compatti e resilienti alle condizioni marine.

Conservazione subacquea: Serbatoi, Caverns e Pipelines

  • Gippole di sale marino[[] – Le cupole di sale esistono sotto il fondale del Mare del Nord e in altri bacini offshore. Possono essere utilizzate per lo stoccaggio di idrogeno su larga scala a pressioni fino a 200 bar. L’UE StopStart project] sta valutando la fattibilità delle caverne di stoccaggio di sale offshore per l’icoli per l’idrogenogenogenogenogenogenogenografico per l’esperienza di gas naturale per l’idrogenogeno, sfruttando decenni.
  • Serbatoi in acciaio pressurato sul fondo marino[[[]] – Come per serbatoi di stoccaggio dell'olio subacqueo, questi possono essere fabbricati onshore e trainati in posizione.
  • Lo stoccaggio di pipeline (linepack)[] – Aumentare la pressione in un gasdotto di idrogeno può immagazzinare il gas all'interno della pipeline stessa, fornendo un deposito a breve termine del buffer.
  • Nelle regioni senza depositi di sale, si possono usare caverne scavate in acciaio o cemento. Le caverne di roccia offshore sono più costose ma tecnicamente fattibili, come dimostra il progetto Högsby]] in Svezia.

Opzioni di trasporto: Navi vs. Pipelines

Una volta che l'idrogeno viene prodotto e immagazzinato in mare aperto, deve raggiungere gli utenti finali.

  • Pipelines[ – Costo-efficace per grandi volumi su rotte fisse, soprattutto per distanze fino a poche centinaia di chilometri. Le tubazioni di idrogeno offshore sono state progettate utilizzando l'acciaio X70 con rivestimenti per prevenire l'embrittlement.
  • Shipping – Per distanze più lunghe (tragitti transoceanici) o per la consegna a isole remote, i vettori di idrogeno come idrogeno liquido (LH2), l'ammoniaca (NH3), o LOHC (portatori di idrogeno organico liquido) sono preferibili.

La combinazione di stoccaggio e trasporto in un hub offshore integrato è la visione di diversi consorzi del settore. Il concetto di Hydrogen Production & Storage Hub[ proposto da ORE Catapult e partner prevede una piattaforma galleggiante o fissa che ospita elettrolizzanti, dissalazione, serbatoi di stoccaggio e una docking station per vettori di idrogeno, tutti alimentati da un hub adiacente dell'eolico.

Superare gli ostacoli tecnici ed economici

Nonostante il momento, l'idrogeno offshore affronta barriere significative, i tre più critici sono costi di capitale elevati, la sicurezza nell'ambiente marino, e la necessità di un quadro normativo che permetta nuovi usi dello spazio offshore.

Percorsi di riduzione dei costi

Oggi, l'idrogeno verde da costi eolici offshore tra $5–$7 per kg, rispetto a $1–$2 per kg per idrogeno grigio da gas naturale.Per essere competitivo, l'idrogeno offshore deve raggiungere $2–$3 per kg. Le leve chiave per la riduzione dei costi includono:

  • Scaling up elettrolyzer manufacturing[[[] – Gigafactories for PEM e alcalini elettrolizzanti sono in costruzione in Europa, Cina e Stati Uniti, con obiettivi di capacità di 20 GW entro il 2030.
  • Aumentare la dimensione della turbina eolica[[ – Le turbine offshore da 15 a 20 MW riducono il numero di fondazioni e cavi per unità di uscita.
  • Migliorare l'efficienza dell'elettrolizzatore[[[] – Aumentare l'efficienza del sistema dal 60% al 75% (bassa base del valore di riscaldamento) ridurrebbe il consumo di energia elettrica per kg del 20%.
  • Piattaforme offshore standard[[ – Piattaforme idrogeno modulari e prodotte in massa potrebbero ridurre i costi di ingegneria e installazione del 30-50%.
  • Utilizzando le infrastrutture esistenti[[] – Ripurpingere piattaforme petrolifere e gas in pensione può ridurre il CAPEX di fronte al 40% rispetto alla costruzione di nuove strutture.

Quadri di sicurezza e regolamentazione

L'idrogeno è una piccola molecola che può permeare i metalli, causando l'embrittlement. Offshore, i rischi aggiuntivi di corrosione, carico d'onda e operazioni remote richiedono sistemi di sicurezza robusti.

  • Materiali avanzati[] – Utilizzo di acciai inossidabili inconel, duplex o rivestimenti in polimero per tubazioni e serbatoi.
  • Rilevamento delle perdite di acqua[[] – Sensibilizzazione a fibre ottiche, monitoraggio acustico e valvole di spegnimento automatizzate.
  • Requisiti di resistenza[[] – I servizi idrogeno devono essere situati lontano dalle corsie di spedizione e da altre installazioni offshore.

Sono ancora in fase di sviluppo i quadri regolamentari DNV-RP-] sono stati pubblicati nel 2023 gli orientamenti per i sistemi di idrogeno offshore, fornendo un approccio basato sul rischio. La strategia idrogeno dell’UE include un flusso di lavoro dedicato all’idrogeno offshore, e paesi come i Paesi Bassi e la Danimarca hanno già assegnato leasing ai progetti di discussione combinati del vento e dell’idrogeno.

Impatto ambientale ed ecosistema

L'idrogeno offshore è generalmente considerato a basso impatto rispetto all'estrazione di combustibili fossili, ma è necessario un attento setto e monitoraggio per ridurre al minimo gli effetti sulla vita marina.

  • Perturbazione del pavimento[[] – L'installazione di fondazioni eoliche, condotte e serbatoi di stoccaggio può interrompere gli habitat bentonici. L'uso di monopile con protezione dai flagelli può limitare i danni, e gli effetti della barriera artificiale possono anche migliorare la biodiversità locale.
  • L'inquinamento del rumore[] – La guida del tubo per turbine a fondo fisso genera rumore subacqueo che può danneggiare i mammiferi marini. Le piattaforme galleggianti richiedono un'installazione meno forte e il rumore operativo dagli elettrolizzatori è minimo.
  • L'assunzione di acqua per la desalinizzazione[[] – L'elettrolisi o il pretrattamento dell'acqua marina possono uccidere plancton e larve se non sono gestiti con schermi di rete sottili e velocità di flusso basse.
  • Scarico ossigeno[[[] – L'elettrolisi produce ossigeno come sottoprodotto. Mentre l'ossigeno puro potrebbe essere utilizzato per applicazioni industriali, il rilascio incontrollato potrebbe localmente sovrasaturare l'acqua di mare, che influisce sul comportamento del pesce. Tuttavia, i modelli mostrano che a scala commerciale, l'impatto è trascurabile rispetto alla variabilità naturale.
  • Tralascia di idrogeno[[[] – Anche se l'idrogeno non è un gas serra direttamente, ha un effetto di riscaldamento indiretto attraverso la chimica atmosferica ( prolunga la vita di metano).

Le installazioni offshore di idrogeno possono coesistere con la pesca e la spedizione se sono stabiliti corridoi e zone di esclusione designate. Le valutazioni di impatto ambientale (EIA) sono obbligatorie per tutti i progetti principali, e il U.S. Bureau of Ocean Energy Management[]] sta sviluppando linee guida specifiche per le locazioni di ricerca di idrogeno offshore.

Prospettive future: Scala da piloti a distribuzione commerciale

I prossimi cinque anni saranno decisivi per l'idrogeno offshore. Diversi progetti su larga scala sono in fase di progettazione avanzata:

  • Idrogeno marino del Nord (DEME, Parkwind)[ – Destinazione di 1 GW vento offshore con elettrolisi integrata e stoccaggio subacqueo entro il 2030.
  • H2 Energy Island (Danimarca)[] – Un'isola artificiale nel Mare del Nord che ospita 10 GW di turbine eoliche, con produzione di idrogeno e stoccaggio per l'esportazione in Germania e nei Paesi Bassi.
  • Cintura idrogeno Offshore della Corea del Sud[] – Combinando fattori eolici offshore con produzione di elettrolisi e ammoniaca, finalizzati a fornire il Giappone.
  • California Offshore Hydrogen Project[[[] – Un'azienda di vento galleggiante proposta con elettrolizzatore al largo della costa della contea di Humboldt, che mira l'operazione pilota entro il 2028.

Le curve di apprendimento dei costi suggeriscono che con una continua distribuzione, l'idrogeno offshore potrebbe raggiungere la parità con l'idrogeno grigio entro il 2035 nelle regioni ad alto vento. I principali abilitatori saranno []] partenariati pubblici-privati[]]], carbon pricing]] che rappresenta pienamente le emissioni di gasolio e gasolio e gas naturale e gas, e [[[[[FLT:[5]]

L'integrazione dell'idrogeno offshore nel sistema energetico più ampio, le griglie di equilibratura, le navi di rifornimento e la fornitura di cluster industriali, richiederà nuovi modelli di business. Le aste idrogeno, simili ai CfD del vento offshore (Contracts for Difference), sono state progettate dal Regno Unito e dall'UE.

Conclusioni

La produzione e lo stoccaggio di idrogeno offshore non è più un concetto speculativo: è un settore in rapida crescita con progetti concreti, investimenti in crescita e un chiaro supporto politico. Con l’accoppiamento delle migliori risorse eoliche offshore al mondo con la tecnologia scalabile di elettrolisi, l’idrogeno offshore può fornire grandi volumi di energia a emissioni zero, evitando conflitti terrestri e sfruttando il know-how marittimo esistente.

Per gli stakeholder in materia di energia, politica e tecnologia, il messaggio è chiaro: il futuro dell'idrogeno è probabile che sia costruito in mare. Investire in idrogeno offshore ora pagherà dividendi in sicurezza energetica, riduzioni delle emissioni e competitività industriale per decenni a venire.