martedì, 27 Febbraio 2024

Una nuova next big thing: l’ammoniaca verde

Prepariamoci: L’ammoniaca è qui per rimanere, non solo come fertilizzante, come ingrediente per fabbricare esplosivi o per le tecnologie della refrigerazione, ma anche come fattore cruciale verso la transizione energetica

Due miliardi di bocche da sfamare in più entro il 2050 e 300 milioni di auto elettriche da mettere su strada entro il 2030 per raggiungere il mitico Net Zero Emissions significano una cosa non scontata: che il mondo ha bisogno di più ammoniaca. Tre atomi di idrogeno e uno di azoto, l’ammoniaca, la sostanza chimica più prodotta al mondo dopo l’acido solforico, ha salvato il mondo già una volta. Che stia per farlo di nuovo?

Piccola digressione, ma ne vale la pena per capire come una sostanza altamente tossica per il corpo umano come l’ammoniaca sia, invece, strategica per la specie Homo Sapiens. Tim Harford, nella serie per la BBC sulle “50 cose che hanno fatto l’economia moderna”, la racconta così.

Azoto, potassio, fosforo, acqua e luce solare sono i cinque ingredienti indispensabili per coltivare una pianta. Un secolo fa, il mondo era alle prese con una crisi alimentare planetaria. Il boom demografico spingeva gli agricoltori a coltivare la terra ad un ritmo accelerato che impediva ai batteri che fissano l’azoto nel terreno di tenere il passo. I depositi sudamericani di guano e nitrati naturali usati come fertilizzante stavano diminuendo drammaticamente. Due chimici tedeschi,  Fritz Haber e Carl Bosch, sviluppano nel 1910 un processo per far reagire l’idrogeno e l’azoto atmosferico sotto pressione per produrre ammoniaca, che gli agricoltori hanno adottato al posto dei fertilizzanti naturali.

Per quella invenzione, Haber e Bosch vinsero un Nobel controverso, perché Haber era considerato da molti un criminale di guerra, visto che era anche il padre dell’uso del cloro come armamento chimico.

Il metodo Haber-Bosch è forse l’esempio più significativo di ciò che gli economisti chiamano “sostituzione tecnologica”. Per la maggior parte della storia umana, per avere più cibo per sostenere più persone, serviva più terra. Ma il problema della terra, come ha scherzato una volta Mark Twain, è che non la fanno più. Haber e Bosch hanno fornito un sostituto: invece di più terra, hanno trovato il modo di produrre fertilizzanti azotati, usando il gas naturale come fonte di idrogeno e combinandolo con l’azoto estratto dall’aria grazie a al calore e alla pressione. Per intendersi, il calore di un forno a legna per pizza, con la pressione che c’è nel mare a 2 km di profondità.

Brot aus Luft”, come dicono i tedeschi quando descrivono il metodo Haber-Bosch, o “Pane dall’aria”. Dall’aria e da un bel po’ di combustibili fossili. Il punto è che questo metodo, che ha salvato il mondo dalla fame, ha contribuito a creare l’emergenza ambientale che stiamo vivendo: solo  il 15% dell’azoto nei fertilizzanti finisce nello stomaco umano attraverso il cibo coltivato. La maggior parte finisce nell’aria o nell’acqua. Composti come il protossido di azoto sono potenti gas serra. Inquinano l’acqua potabile. Creano anche piogge acide e le “zone morte” oceaniche, dove le fioriture di alghe vicino alla superficie bloccano la luce solare e uccidono i pesci.

Gli scienziati non comprendono ancora appieno l’impatto a lungo termine sull’ambiente della conversione di azoto così stabile e inerte dall’aria in vari altri composti chimici altamente reattivi, ma la domanda di fertilizzanti raddoppierà nel prossimo secolo.

Quello che è certo, però, è che l’ammoniaca è qui per rimanere. Non solo come fertilizzante, ingrediente per fabbricare esplosivi o per le tecnologie della refrigerazione, ma come fattore cruciale verso la transizione energetica. Il mondo è alla ricerca di carburanti alternativi. Di una nuova “sostituzione tecnologica”. Alcuni sono stati sintetizzati a partire da una pianta: il mais per l’etanolo, l’olio di soia per il biodiesel. La novità è che l’ammoniaca ha la capacità di sostituire la benzina o il diesel in un motore a combustione interna, rilasciando solo azoto e acqua, virtualmente senza emissioni di carbonio.

Soprattutto può fungere da mediatore energetico: può, cioè, immagazzinare l’energia. In quanto tale, sarà una componente fondamentale della nuova economia dell’idrogeno. Con diversi vantaggi rispetto all’idrogeno liquido: ha una densità energetica tripla (9 volte rispetto alle batterie agli ioni di litio), si può conservare a temperature non criogeniche (-33°C rispetto a -253°C) ed è molto meno infiammabile.

Per l’Oxford Institute of Energy Studies l’ammoniaca liquida è imbattibile per lo stoccaggio di energia su larga scala e a lungo termine. Per trasportarla si possono usare infrastrutture già disponibili e collaudate da decenni, inclusi 130 porti in tutto il mondo.  Con l’ammoniaca, si possono imbottigliare il sole e il vento. 

E più in generale, nella progressiva elettrificazione del Pianeta (oggi siamo al 20% dell’energia utilizzata al mondo, ma entro il 2050 si potrebbe arrivare al 50%), le tecnologie per immagazzinare l’energia quando le fonti rinnovabili non sono disponibili diventano fondamentali.

Il mondo, insomma, ha bisogno di più ammoniaca. Il problema è che quella dell’ammoniaca è fra le tre industrie manifatturiere con le maggiori emissioni di carbonio, dopo acciaio e cemento. La sua produzione genera quasi il 2% delle emissioni globali.

Per questo, decarbonizzarne la produzione è una priorità. Oggi l’ammoniaca si può vedere in tricromia: quella grigia è quella prodotta dal gas naturale, come cent’anni fa, mentre quella blu riduce del 90% le emissioni della produzione convenzionale attraverso la cattura e l’immagazzinamento del carbonio (CCS).  L’ammoniaca verde, invece, è la nuova frontiera perché utilizza idrogeno verde prodotto dall’elettrolisi dell’acqua, alimentata da energia rinnovabile.

Ora, il mercato. La produzione globale di ammoniaca è stimata in circa 175 milioni di tonnellate all’anno. La Cina ne produce il 30%, mentre Stati Uniti, Unione Europea, India, Russia e Medio Oriente si attestano, ciascuna, fra l’8 e il 10%.  Per il 98% viene prodotta utilizzando i combustibili fossili: il carbone, in Cina, il gas naturale negli USA e in Russia.

Secondo Allied Market Research, è un mercato da quasi 80 miliardi di dollari nel 2022 e raggiungerà circa 130 miliardi entro il 2030. L’ammoniaca verde rappresenta una piccola frazione di questo mercato: ha toccato i 300 milioni di dollari nel 2023 e veleggia verso i 18 miliardi entro il 2030, con un CAGR del 75,3% nel periodo di previsione.

Che si tratti di un mercato con un enorme potenziale lo dimostrano pochi elementi geopolitici: di ammoniaca verde parla il nuovo piano quinquennale cinese fino al 2025, mentre diversi giga-progetti sono in fase di studio o realizzazione in Brasile, Nuova Zelanda, Sud Africa, Australia, Marocco, Mauritania, Oman, Arabia Saudita, Kazakistan. Il Giappone, che non ha risorse petrolifere, sta sondando i mercati internazionali e scommette forte sull’ammoniaca blu per usarla nelle sue centrali elettriche a carbone. Il Canada, che dispone di abbondante energia rinnovabile a basso costo (il 60% del’energia prodotta è idroelettrica) e ha sviluppato tecnologie per la cattura del carbonio, è già nella top ten dei produttori e si propone agli investitori globali come il luogo ideale per produrre ammoniaca verde, anche perché ha già 18 porti “ammoniaca-ready”.

Obiettivo, neutralità climatica nel 2050, e risorse (i 750 miliardi di euro del fondo Next generation EU per i  progetti per la decarbonizzazione dell’economia) sono un quadro di riferimento chiaro per l’Europa, ma la guerra in Ucraina, con le sanzioni alla esportazione russa di fertilizzanti e la domanda di nuova produzione nei paesi che in precedenza importavano, ha messo ancora di più l’Unione di fronte all’esigenza di aumentare la produzione di ammoniaca verde. 

L’Italia è ferma ai 5 GW di elettrolizzatori al 2030 previsti nel piano per l’idrogeno green, mentre secondo il Politecnico di Milano servono almeno 15 GW di elettrolizzatori e altri 70 GW di rinnovabili per lo sviluppo della filiera verde. Insomma, c’è bisogno di un’accelerata e di un programma di incentivi, perché allo stato attuale della tecnologia e dei costi di produzione gli utilizzatori industriali hanno una scarsa convenienza a imboccare la nuova strada.

L’ecosistema globale dell’ammoniaca verde è fatto di grandi aziende quotate, attive nel settore chimico, energetico e impiantistico, e di aziende più piccole, costruite intorno a brevetti riguardanti l’elettrolisi o la cattura e l’immagazzinamento del carbonio. L’americana CF Industries Holdings, quotata al NYSE, circa 14 miliardi di dollari di market cap, produce quasi 10 milioni di tonnellate di ammoniaca all’anno ed è il leader mondiale, mentre Ballard Power Systems (market cap di 1,8 miliardi di USD), FuelPositive Corp, AmmPower (una penny stock che capitalizza 86 milioni di dollari e punta anche sulla esplorazione del litio) e Hydrofuel (non ancora quotata, ha un brevetto per la conversione dei rifiuti umani e animali in ammoniaca verde e idrogeno a basso costo e uno per la conversione all’ammoniaca di motori, generatori e veicoli alimentati a idrocarburi) sono canadesi.

Le tedesche Siemens Energy,  BASF e ThyssenKrupp appartengono all’aristocrazia industriale europea, mentre le norvegesi NEL ASA e YARA International, quotate alla Borsa di Oslo, fanno parte di un ecosistema nazionale che punta a diventare carbon neutral nel 2030. 

Danesi sono Haldor Topsoe (la sua tecnologia proprietaria Solid Oxide Electrolyzer Cell viene impiegata per produrre oltre il 50% di tutti i fertilizzanti ammoniacali a livello globale) e Ørsted (che invece sta esplorando la produzione di ammoniaca verde utilizzando l’energia eolica offshore).

ITM Power (quotata a Londra, ha garantito ritorni del 18% all’anno nell’ultimo quinquennio) e Linde, un colosso da 140,4 miliardi di euro di market cap, sventolano l’Union Jack, mentre Fertiberia e Iberdrola in Spagna, NextChem, controllata da Maire Tecnimont e Ansaldo Energia in Italia, Air Liquid ed Engie in Francia sono i campioni nazionali.

Oggi ci sono due ostacoli principali a frenare la marcia della ammoniaca verde: il costo di produzione e il suo impatto ambientale.

L’ammoniaca derivata dai combustibili fossili è attualmente venduta tra i 1.500 e i 2.000 per tonnellata, con un costo di produzione che dipende dal prezzo dell’elettricità. Il che vuol dire, in gran parte del mondo, che il suo prezzo dipende da quello del gas naturale. I pessimisti calcolano un prezzo di 900 dollari alla tonnellata per l’ammoniaca verde anche dove le risorse solari ed eoliche sono abbondanti e “a basso costo”, e pensano che sia difficile aspettarsi che il costo di produzione dell’ammoniaca verde possa scendere molto al di sotto dei 600 dollari. Per la Ammonia Energy Association, invece, con un prezzo della elettricità da fonti rinnovabili pari o inferiore a 50 dollari per MWh, l’ammoniaca verde diventa più economica di quella convenzionale prodotta col gas naturale. Argus si spinge a prevedere che, entro il 2040, l’ammoniaca verde potrebbe costare solo 250 dollari per tonnellata.

Nel frattempo, la guerra in Ucraina ha portato, in alcuni paesi, al disaccoppiamento del prezzo del gas e dell’elettricità. I governi hanno messo in atto meccanismi per recuperare i profitti in eccesso dalle società energetiche e ridurre le bollette per i consumatori. Usando lo strumento fiscale (carbon tax), una regolazione di favore e garantendo un prezzo premium, si può fare lo stesso per l’ammoniaca verde.

Un modello interessante, pur con tutti i distinguo, è quello canadese. Ottawa ha istituito un fondo da 1,5 miliardi dollari per convertire al consumo dei combustibili verdi, contribuisce nella misura del 12% alla costruzione di impianti per la produzione di ammoniaca blu dai 50 milioni di dollari in su e riconosce un credito d’imposta del 24% agli operatori esteri che fanno R&D in Canada.

Ma al di là dell’intervento pubblico e delle potenzialità, per esempio, dei Green Bond, l’ammoniaca verde ha un percorso verso il successo legato a filo doppio al suo impatto ambientale. La combustione di ammoniaca porta a livelli elevati di emissioni di ossidi di azoto, che sono inquinanti ambientali, e di protossido di azoto, che è un gas serra.

Senza adeguate pratiche di abbattimento e immagazzinamento del carbonio, l’ammoniaca non può essere considerata una fonte di energia “priva di gas a effetto serra” o rispettosa dell’ambiente. Le tecnologie ci sono, ma ci vorranno cure e attenzioni speciali per far sviluppare il settore, con un ruolo centrale da parte dei governi, chiamati a creare un contesto politico favorevole a tagli ambiziosi delle emissioni, a dare vita a piani di transizione, insieme a meccanismi per mobilitare gli investimenti, accelerare la ricerca e monitorare l’ambiente.

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