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Idrogeno verde e gestione idrica: sfide per gli impianti del futuro
22 Ottobre 25
Ogni molecola di idrogeno verde nasce da una molecola d’acqua. È una verità elementare, ma in pochi la ricordano quando si parla di transizione energetica. L’idrogeno viene spesso descritto come il combustibile pulito per eccellenza, destinato a decarbonizzare industria e mobilità. La sua produzione, però, quella realmente sostenibile e basata su energia rinnovabile, dipende da un elemento tanto prezioso quanto limitato: l’acqua.
Per produrre un chilogrammo di idrogeno tramite elettrolisi servono in media nove litri d’acqua deionizzata, e quando la scala diventa industriale i numeri crescono rapidamente. Un impianto da 100 MW può consumare centinaia di metri cubi al giorno. È una quantità piccola se paragonata ai consumi agricoli o termoelettrici, ma sufficiente a rendere la gestione idrica un nodo strategico per chi progetta i futuri poli dell’idrogeno.
L’acqua, dunque, non è solo un vettore passivo, ma una materia prima critica della nuova economia dell’idrogeno. E la sua disponibilità, purezza e gestione determineranno l’effettiva sostenibilità dell’intera filiera.
L’acqua come materia prima
L’idrogeno verde si ottiene attraverso l’elettrolisi dell’acqua, un processo che scinde le molecole di H₂O in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. È un principio semplice, ma dietro la semplicità apparente si nasconde un processo tecnologicamente raffinato e molto sensibile alla qualità dell’acqua impiegata.
Gli elettrolizzatori, che possono essere di tipo alcalino, PEM (Proton Exchange Membrane) o SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell), richiedono un’acqua quasi perfetta: la conducibilità deve essere spesso inferiore a 0,1 µS/cm, e anche minime tracce di cloruri, carbonati o ioni metallici possono compromettere la durata degli elettrodi e ridurre l’efficienza del sistema.
Per ottenere questo livello di purezza, l’acqua subisce trattamenti successivi di filtrazione, osmosi inversa, deionizzazione e controllo in linea della conducibilità. Ogni fase ha un costo energetico e ambientale, motivo per cui il bilancio idrico complessivo deve essere considerato già in fase di progettazione. In un contesto in cui molte aree industriali europee soffrono di scarsità idrica, la provenienza dell’acqua, rete potabile, falda o refluo trattato, diventa una variabile di sostenibilità tanto quanto la fonte energetica.
Un bilancio idrico che diventa strategico
Il dato dei 9 litri per chilogrammo di H₂ può sembrare modesto, ma in impianti di scala gigawatt il fabbisogno complessivo supera i 9 milioni di litri d’acqua al giorno. L’Agenzia Europea dell’Ambiente segnala che oltre il 30 % delle regioni UE vive già situazioni di stress idrico stagionale. Se a questo si aggiunge la concentrazione delle hydrogen valley nelle regioni mediterranee, dove la disponibilità d’acqua è limitata, appare evidente che il legame fra idrogeno e gestione idrica è tutt’altro che marginale.
La sfida della gestione idrica negli impianti di elettrolisi
Ogni impianto a idrogeno deve fare i conti con tre dimensioni: approvvigionamento, trattamento e riuso. Nelle aree industriali del Nord Europa l’acqua è abbondante, ma la qualità può richiedere trattamenti complessi; nel Sud Europa, al contrario, l’acqua è più pura ma meno disponibile. Gli impianti devono quindi sviluppare strategie differenziate: in alcuni casi si utilizzano acque di falda con sistemi di ultrafiltrazione, in altri si preferisce riutilizzare reflui depurati provenienti da impianti municipali o industriali vicini.
Il concetto di hydrogen–water symbiosis sta assumendo un ruolo sempre più concreto: installare elettrolizzatori in prossimità degli impianti di trattamento consente di valorizzare sia l’acqua sia l’ossigeno prodotti nei processi di elettrolisi, riducendo il consumo di risorse e migliorando l’efficienza complessiva dei sistemi.
Un esempio avanzato è il progetto SeWAGE PLANT H al grande depuratore di Hannover-Herrenhausen, in Germania. Qui l’Istituto ISAH della Leibniz University sta realizzando un impianto di elettrolisi accoppiato al trattamento biologico dei reflui: un primo modulo da 2,5 MW, espandibile fino a 17 MW, produrrà idrogeno, calore e ossigeno puro destinato ad alimentare l’aerazione biologica del depuratore. L’obiettivo è ridurre l’uso di aria compressa, una delle voci energetiche più pesanti del processo, e sperimentare l’impiego di flussi d’acqua di processo per l’alimentazione dell’elettrolizzatore, limitando il prelievo di acqua potabile.
In parallelo, progetti industriali su larga scala come T-HYNET (Hydrogen Valley Tarragona), promossi da Repsol in Spagna, confermano la stessa direzione: l’iniziativa prevede l’installazione di un elettrolizzatore alcalino da 150 MW, capace di produrre circa 2,7 tonnellate di idrogeno e 21 tonnellate di ossigeno l’ora, con tecnologie pensate per ottimizzare il consumo idrico. Le fonti ufficiali non specificano l’uso di acque reflue o industriali trattate, ma evidenziano la volontà di massimizzare l’efficienza d’uso dell’acqua e di valorizzare l’ossigeno come sottoprodotto utile per i distretti industriali locali.
Dal punto di vista chimico, ogni chilogrammo di idrogeno prodotto genera circa otto chilogrammi di ossigeno: un rapporto stechiometrico che, se valorizzato in processi adiacenti come la depurazione, può trasformare l’elettrolisi in un modello reale di simbiosi industriale.
Gestire l’acqua negli impianti a idrogeno
Gestire correttamente l’acqua in un impianto di idrogeno significa garantire purezza costante, minimizzare le perdite e recuperare ogni litro possibile. La sfida è tecnica e gestionale al tempo stesso.
Il primo passo è il trattamento dell’acqua in ingresso. Gli impianti moderni utilizzano membrane di nanofiltrazione e osmosi inversa per rimuovere sali e microinquinanti, seguite da sistemi di deionizzazione a scambio ionico. Le acque di lavaggio e i concentrati prodotti dai filtri vengono convogliati verso circuiti di recupero, trattati e reimmessi nel ciclo.
Parallelamente, la digitalizzazione sta cambiando la gestione operativa. I sistemi di monitoraggio IoT permettono di controllare in tempo reale conducibilità, portata e qualità del permeato, anticipando anomalie e ottimizzando i cicli di lavaggio. Alcuni produttori integrano modelli di intelligenza artificiale per stimare i tassi di fouling e programmare la manutenzione preventiva, con una riduzione dei consumi idrici fino al 20 %.
Acqua rigenerata e idrogeno
Sempre più spesso gli impianti per la produzione di idrogeno vengono progettati in sinergia con i sistemi di trattamento delle acque reflue, per valorizzare risorse già disponibili e ridurre la dipendenza dall’acqua potabile. L’acqua depurata, se opportunamente filtrata e deionizzata, può infatti diventare una fonte adatta all’elettrolisi, aprendo la strada a nuovi modelli di integrazione tra ciclo idrico ed energetico.
Un esempio concreto arriva dalla Comunità di Madrid, dove presso l’impianto di trattamento di Arroyo Culebro (Pinto) è in corso la realizzazione di un elettrolizzatore alimentato con acqua rigenerata proveniente dal depuratore stesso. Il progetto, sostenuto dal governo regionale, prevede la produzione di idrogeno verde utilizzando energia fotovoltaica e biogas dell’impianto, in un modello circolare che recupera risorse interne e riduce al minimo l’impatto idrico complessivo.
Oltre a garantire un approvvigionamento stabile per l’elettrolisi, il riuso idrico consente di ridurre il fabbisogno di acqua dolce e i costi energetici del ciclo, creando sinergie virtuose tra infrastrutture idriche ed energetiche e offrendo una via concreta alla decarbonizzazione locale.
Il water–energy nexus: acqua ed energia come sistema unico
La relazione fra acqua ed energia non è più solo un concetto teorico. Ogni chilogrammo di idrogeno prodotto rappresenta anche una certa quantità d’acqua trasformata, trattata, riscaldata e recuperata. È il cuore del water–energy nexus, una visione integrata che considera le due risorse come elementi di un unico sistema.
In questa prospettiva, l’acqua non è più un input di processo, ma una risorsa dinamica. Può provenire da reflui rigenerati, essere utilizzata per l’elettrolisi, restituire ossigeno e calore ai processi circostanti e infine tornare nel ciclo ambientale.
Recuperare valore dai sottoprodotti dell’elettrolisi
L’ossigeno generato dall’elettrolisi può essere impiegato nei trattamenti biologici o nei processi ossidativi avanzati dei depuratori, migliorando l’efficienza di rimozione della sostanza organica. Allo stesso modo, il calore residuo può essere recuperato per preriscaldare l’acqua in ingresso o per l’essiccamento dei fanghi, riducendo i costi energetici complessivi.
Esperienze in Germania e nei Paesi Bassi mostrano che questa simbiosi industriale tra hydrogen plants e infrastrutture idriche consente di ridurre fino al 30 % l’impronta energetica complessiva, oltre a migliorare la resilienza territoriale. In Italia, iniziative simili si stanno valutando in Lombardia e Puglia, dove la vicinanza tra depuratori e nuovi poli industriali apre la strada a sinergie concrete.
Un quadro normativo che evolve verso l’integrazione
La normativa europea sta rapidamente evolvendosi per rispondere alle nuove interazioni fra settori idrici ed energetici. Con la EU Hydrogen Strategy del 2020 la Commissione europea ha avviato un percorso strategico per lo sviluppo dell’idrogeno rinnovabile. Al contempo, la Commissione ha delineato una strategia per la resilienza idrica (EU Water Resilience Strategy), che pone l’accento sulla riduzione dei consumi d’acqua, sull’efficienza delle infrastrutture e sul riuso, e che è parte integrante dell’agenda 2024–2029.
È evidente come la convergenza tra queste due direttrici apra la strada ad impianti per l’idrogeno progettati come nodi integrati del sistema acqua-energia, con bilanci idrici tracciabili e verificabili. Sul piano tecnico e industriale, si osserva una crescente attenzione alla definizione di indicatori che vadano oltre il solo consumo diretto d’acqua, considerando anche la provenienza e il grado di riuso dell’acqua impiegata per l’elettrolisi dell’idrogeno verde.
Dal punto di vista finanziario, alcuni strumenti europei (a titolo esemplificativo, fondi e programmi UE per l’idrogeno e l’acqua) stanno riconoscendo il valore aggiunto delle soluzioni che favoriscono l’efficienza idrica e l’impiego di acqua rigenerata come fattore di sostenibilità e competitività.
Quanta acqua serve per produrre un chilo di idrogeno verde?
Produrre 1 chilogrammo di idrogeno verde richiede, in teoria, 9 litri d’acqua, che corrispondono alla quantità necessaria per scindere la molecola di H₂O nei suoi due elementi: idrogeno e ossigeno. Nella pratica, però, il processo comporta ulteriori consumi dovuti ai lavaggi, ai cicli di purificazione e alle perdite del sistema, per cui il fabbisogno effettivo si colloca tra 10 e 15 litri per chilogrammo di idrogeno.
La differenza dipende soprattutto dal tipo di elettrolizzatore utilizzato, cioè dal “cuore tecnologico” dell’impianto.
- Negli elettrolizzatori alcalini, i più diffusi e maturi, la reazione avviene in una soluzione di idrossido di potassio (KOH): il sistema è robusto ma richiede una qualità dell’acqua controllata e trattamenti più complessi per rimuovere sali e carbonati che potrebbero danneggiare gli elettrodi.
- I sistemi PEM (Proton Exchange Membrane) usano invece una membrana polimerica che consente il passaggio dei protoni ma non degli elettroni. Lavorano con acqua ultrapura — deionizzata fino a valori di conducibilità inferiori a 0,1 µS/cm — e offrono maggiore efficienza e compattezza, ma sono più sensibili alle impurità.
- I SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) rappresentano la frontiera più avanzata: operano ad alta temperatura (600–800 °C) utilizzando vapore d’acqua invece di acqua liquida. Questo riduce il consumo idrico diretto, ma aumenta il fabbisogno di energia termica, spostando parte del carico sull’infrastruttura energetica.
In ogni caso, anche considerando i trattamenti e i cicli di lavaggio, la produzione di idrogeno verde rimane relativamente efficiente dal punto di vista idrico. Per dare un ordine di grandezza, un MWh generato da una centrale a carbone consuma oltre 1.200 litri d’acqua, mentre la produzione di un litro di bioetanolo supera i 2.000 litri.
L’idrogeno verde, quindi, utilizza molta meno acqua rispetto alle fonti fossili o ai biocarburanti, ma la sua reale sostenibilità dipende dalla provenienza e dal trattamento della risorsa. Usare acqua potabile in un contesto di scarsità non avrebbe senso: è per questo che l’integrazione con cicli di riuso e depurazione avanzata diventa il punto di equilibrio tra transizione energetica e gestione idrica.
Verso impianti integrati e sostenibili
Il futuro dell’idrogeno verde dipende dalla capacità di coniugare innovazione energetica e gestione idrica. Gli impianti non potranno più essere concepiti come infrastrutture isolate, ma come ecosistemi di scambio, dove acqua, energia e materiali circolano e vengono utilizzati in modo equilibrato.
L’idrogeno verde non rappresenta soltanto un combustibile alternativo, ma un acceleratore di innovazione nel trattamento dell’acqua. Ogni molecola prodotta responsabilmente è un passo verso un sistema industriale più resiliente, dove l’acqua torna al centro del futuro energetico dell’Europa.
