Come il cuore tecnologico delle celle elettrolitiche sta guidando la transizione energetica

Idrogeno da elettrolisi: tecnologie AEC, PEM, AEM e SOEC evolvono per superare costi (RDM-AI06_26)

Idrogeno da elettrolisi: tecnologie AEC, PEM, AEM e SOEC evolvono per superare costi, catalizzatori nobili e limiti termici verso rese più alte.

Il processo di scissione molecolare dell'acqua tramite corrente elettrica rappresenta il fulcro per produrre idrogeno pulito. Il mercato odierno offre diverse soluzioni tecnologiche: dai collaudati sistemi alcalini (AEC) alle reattive membrane a scambio protonico (PEM), fino ai prototipi a scambio anionico (AEM) e ad ossidi solidi (SOEC) ad altissimo rendimento termico. Superare i limiti attuali – come l'impiego di catalizzatori nobili (platino e iridio) o la scarsa flessibilità termica – è l'obiettivo della ricerca scientifica, che guarda a innovazioni come la fotoelettrolisi diretta e i catalizzatori a clatrati per massimizzare le rese di conversione.

#idrogenoverde #elettrolisi #celleelettrolitiche #tecnologiaPEM #elettrolizzatori #innovazioneenergetica #SOEC #chimica

Leggi anche

👉La Tecnologia dell'Idrogeno Verde: Tra Elettrolisi e Nuove Sfide

L’elettrolisi produce idrogeno verde senza CO₂. Nuovi catalizzatori e celle PEC puntano a ridurre costi e aumentare l’efficienza del vettore pulito

L’elettrolisi dell’acqua.

L’elettrolisi dell’acqua è ben nota da tempo, ma è una produzione ancora di laboratorio e di nicchia. Una massiccia produzione industriale e la realizzazione di impianti sempre più grandi in grado di sfruttarne l’effetto scala è fondamentale per ridurre i costi del capitale di investimento e migliorare affidabilità, efficienza e flessibilità, specie quando si tratta di tecnologie alimentate da fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico.

Il processo di elettrolisi dell’acqua, pur essendo un principio chimico consolidato, rappresenta oggi la "nuova frontiera" della produzione di idrogeno verde, necessaria per superare l'attuale dipendenza dai combustibili fossili che dominano il 95-99% del mercato

La transizione da una produzione di nicchia a una scala industriale è il passaggio obbligato per rendere questo vettore energetico il perno della decarbonizzazione.

Il cuore della tecnologia: la cella elettrolitica

L'elettrolisi è il metodo più diretto per produrre idrogeno gassoso (H₂​) scindendo la molecola d'acqua (H₂​O) tramite una sorgente di corrente elettrica esterna. Il processo avviene in una cella elettrolitica composta da:

• ·       Anodo e Catodo: due elettrodi immersi in un elettrolita.
• ·       Elettrolita: una soluzione conduttrice ionica (acquosa con sali/acidi o polimerica solida).
• ·       Separatore (diaframma): una membrana che impedisce la miscelazione pericolosa di idrogeno e ossigeno, garantendo al contempo la migrazione degli ioni.

Un elettrolizzatore è costituito da più celle collegate solitamente in serie per raggiungere potenze industriali

Schema dell’elettrolisi per la produzione di idrogeno (RDM-AI06_26)

La cella elettrolitica è un particolare tipo di cella elettrochimica che a differenza delle celle galvaniche non produce elettricità grazie ad una reazione spontanea, ma bensì attraverso una fonte di corrente esterna permette di separare la molecola dell’acqua nei suoi costituenti, l’idrogeno e l’ossigeno.

La cella elettrolitica è composta dai seguenti componenti: due elettrodi, un elettrolita, un separatore. Nella cella elettrolitica i due elettrodi, uno positivo e uno negativo, sono collegati elettricamente e immersi in un liquido conduttore chiamato elettrolita, il quale è costituito solitamente da una soluzione acquosa di sali, acidi o basi. Il separatore o diaframma divide l’interno della vasca in due parti, il quale ha la funzione di evitare il mescolamento dell’idrogeno e dell’ossigeno gassosi che vengono generati agli elettrodi. Tuttavia deve consentire il libero passaggio degli ioni e tenere separati i due gas.

Più celle di questo tipo, collegate solitamente in serie e poste in un unico contenitore, costituiscono l’elettrolizzatore

La reazione globale dell’acqua è:

2H₂O → 2H₂(g) + O₂(g)

L’elettrolisi è il metodo più conosciuto per la produzione di idrogeno, ma anche il meno utilizzato industrialmente per i costi ancora elevati nettamente superiori a quelli di altre tecnologie.

Le attuali tecnologie per gli elettrolizzatori

Quattro sono le principali tecnologie per gli elettrolizzatori impiegabili per la produzione di idrogeno verde. 

Cella elettrolitica alcalina (AEC) 

L’elettrolizzatore AEC è la tecnologia più sviluppata per la produzione di idrogeno e la più usata a livello commerciale. Opera a bassa temperatura e ha un costo contenuto. Essendo ampiamente utilizzata, ha una rete di fornitura e capacità produttiva consolidate. 

Il difetto principale di questo sistema è legato alla riduzione di flessibilità nel caso in cui si utilizzi energia elettrica fluttuate ossia derivante da fonti rinnovabili.

L’elettrolita è liquido, tipicamente una soluzione acquosa di KOH o NaOH, che circola tra due elettrodi in materiale metallico (generalmente leghe di Ni), trasferendo ioni OH- tra catodo e anodo, a temperature di 60-80°C. Un diaframma, permeabile all’elettrolita, impedisce il miscelamento di idrogeno e ossigeno che restano separati rispettivamente al lato catodico e anodico.

L’elettrolisi alcalina conta numerose installazioni in ambito industriale, con potenze da medio-piccole fino all’ordine delle decine di MW.

Celle a membrana a scambio protonico (PEM)

I sistemi di elettrolisi PEM utilizzano un elettrolita solido. Offrono una risposta dinamica più rapida, un design compatto e una maggiore efficienza energetica

Si basano su un elettrolita costituito da una membrana polimerica che in presenza d’acqua consente il trasferimento di protoni (ioni H⁺). Il funzionamento è a temperature di 50-70°C e ha il vantaggio di avere una rapida risposta.

Lo svantaggio di questa tecnologia è l’utilizzo di materiali preziosi come catalizzatori (Pt, Ir), motivo per cui la ricerca attuale è indirizzata alla riduzione ed ottimizzazione delle quantità di catalizzatore oltre che alla loro piena riciclabilità.

Celle a membrana a scambio anionico (AEM)

L’elettrolizzatore AEM combina i vantaggi dei sistemi PEM e AEC. Il basso costo dei materiali utilizzati, densità ed efficienze energetiche paragonabili alla tecnologia a polimero solido,  consentono di costruire elettrolizzatori fino a 2,4 kW.

I sistemi di questo tipo sono ancora a livello prototipale.

la membrana AEM lascia passare gli ioni OH⁻ (RDM-AI06_26)

Celle ad ossidi solidi (SOEC)

L’elettrolizzatore SOEC ha il vantaggio di raggiungere elevati gradi di efficienza pur operando ad alte pressioni e utilizzando catalizzatori di materiale non nobile. Ad oggi ha un utilizzo commerciale limitato a causa della scarsa durata di vita dovuta alle alte temperature di funzionamento. È tuttora in fase di sperimentazione con alcuni prototipi.

Producono idrogeno a partire da acqua in forma di vapore in quanto operano a temperature elevate (600-900°C), con impiego di elettroliti ceramici ad ossidi solidi a scambio ossigeno.

Punto di forza di questi dispositivi sono i rendimenti elettrici più elevati, superiori all’80%.

Hanno lo svantaggio di avere una limitata flessibilità operativa, non compatibile con frequenti on/off a causa delle alte temperature, che comportano elevata inerzia.

Gli elettrolizzatori ad ossidi solidi utilizzano i medesimi materiali delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), tanto che possono funzionare in modo completamente reversibile, alternativamente come fuel cell, producendo elettricità e consumando idrogeno, e come produttori di idrogeno consumando elettricità.

Possono, inoltre, operare con fluidi diversi dall’acqua, ad esempio con CO₂ per la produzione di gas sintetici, con la capacità di integrarsi utilmente in numerosi processi chimici.

Cella a ossidi solidi (SOEC) (RDM-AI06_26)

L'effetto scala: dalle Giga-factory alla riduzione dei costi

Attualmente l'idrogeno verde rappresenta solo lo 0,1% della produzione totale. Per abbattere i costi di investimento (CAPEX), che oggi rendono l'idrogeno verde molto più caro di quello grigio (fossile), è necessario il passaggio alla produzione massiva 

Riduzione del CAPEX I costi specifici degli elettrolizzatori (€/kW) diminuiscono drasticamente all'aumentare della taglia dell'impianto e con la creazione di giga-factory dedicate alla loro fabbricazione

Obiettivi al 2030 In Europa e in Italia (tramite il PNRR) si punta a installazioni massicce. L'Italia prevede circa 5 GW di capacità di elettrolisi entro il 2030. A livello globale, si stima che la capacità installata possa raggiungere i 134-240 GW entro lo stesso anno

Parità di costo Si prevede che l'idrogeno verde diventerà commercialmente competitivo con le alternative fossili tra il 2030 e il 2035, con una possibile riduzione dei costi del 50% entro il 2040 grazie alle economie di scala

Sinergia con le Rinnovabili e stoccaggio energetico

L'idrogeno verde non è solo un combustibile, ma una soluzione di flessibilità per la rete elettrica.

• Power-to-Hydrogen Gli elettrolizzatori possono assorbire i surplus di energia rinnovabile (overgeneration) che altrimenti andrebbero sprecati, trasformandoli in un vettore chimico stoccabile.
• Stoccaggio Stagionale: A differenza delle batterie, l'idrogeno permette lo stoccaggio di enormi quantità di energia per lunghi periodi (mesi), bilanciando ad esempio l'alta produzione solare estiva con la domanda invernale

Innovazioni per l'efficienza futura

La ricerca sta esplorando vie alternative per superare i limiti dell'elettrolisi tradizionale:

·       Clatrati: L'uso di strutture molecolari "a gabbia" come catalizzatori ha dimostrato efficienza e stabilità superiori al nichel tradizionale, aumentando i siti attivi per la reazione.

·       Fotoelettrolisi (PEC Tandem): Tecnologia che scinde l'acqua utilizzando direttamente la luce solare all'interno di un'unica unità compatta, eliminando la necessità di un elettrolizzatore esterno separato.

·       Bioidrogeno: L'uso di microalghe che, in specifiche condizioni di privazione di zolfo, attivano l'enzima idrogenasi per produrre idrogeno.

Articoli che parlano di idrogeno

La Mappa Cromatica dell'Idrogeno: Dal Fossile al Rinnovabile

Comprendere l'intensità di carbonio dei diversi processi produttivi per una transizione reale

Leggi tutto: La Mappa Cromatica dell'Idrogeno: Dal Fossile al Rinnovabile

La Tecnologia dell'Idrogeno Verde: Tra Elettrolisi e Nuove Sfide

Come funziona il processo produttivo e quali innovazioni guideranno il calo dei costi

Leggi tutto: La Tecnologia dell'Idrogeno Verde: Tra Elettrolisi e Nuove Sfide

Idrogeno: Il Tassello Strategico per la Sovranità Energetica Europea

Non solo decarbonizzazione: perché l'idrogeno è la chiave per la resilienza dell'UE

Leggi tutto: Idrogeno: Il Tassello Strategico per la Sovranità Energetica Europea

Articoli correlati

• Le Riserve Critiche: Oceani e Permafrost nel Ciclo del Carbonio
• La biosfera di Renzo Piano
• Le Interazioni Abiotiche nella Biosfera
• Biodiversità dei sistemi da acqua dolce
• Erin Brockovich contro l’inquinamento industriale