L’elettrolisi dell’acqua è una produzione ancora di nicchia. Necessario ridurre i costi e migliorare l’efficienza specie quando si tratta di tecnologie alimentate da fonti rinnovabili.

SPECIALE IDROGENO. L’elettrolisi dell’acqua è una produzione ancora 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 e migliorare affidabilità, efficienza e flessibilità, specie quando si tratta di tecnologie alimentate da fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico.

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Argomenti trattati

Idrogeno dall’elettrolisi

   Introduzione

   L’elettrolisi dell’acqua.

   Le attuali tecnologie per gli elettrolizzatori

   Cella elettrolitica alcalina (AEC) 

   Celle a membrana a scambio protonico (PEM)

   Celle a membrana a scambio anionico (AEM)

   Celle ad ossidi solidi (SOEC)

   Impianto di elettrolisi da800 MW nella città di Lubmin



Introduzione

Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili  e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.

Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata. 

E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile. 

La produzione attuale di idrogeno si basa su uno stretto numero di tecnologia: steam reforming del metano, reforming della nafta, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi, elettrolisi dell’acqua.

Si parla sempre più spesso di idrogeno verde – prodotto tramite l’elettrolisi dell’acqua alimentata da energie rinnovabili – con numeri roboanti per nuova occupazione, riduzione dei costi, impatto sul PIL, ecc.

Ben poco si sottolineano, invece, le sfide di come si comportano e di come dimensionare i complessi impianti elettrolizzatori ipotizzati – sempre più potenti fino al GW – per sfruttare effetti scala ed utilizzanti risorse eoliche e/o fotovoltaiche.

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 scissione della molecola dell’acqua in idrogeno e ossigeno può essere schematizzato come nella seguente figura.

Schema dell’elettrolisi per la produzione di idrogeno

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. Quindi è il dispositivo in cui avviene l’elettrolisi, che permette di separare la molecola dell’acqua nei suoi costituenti, l’idrogeno e l’ossigeno, per mezzo dell’elettricità.

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. Le altre due hanno una dimensione dello stack nell’ordine dei kW e con una durata ridotta, offrono buone prospettivo di sviluppo ma non sono ancora consolidate nel mercato.

La Cella elettrolitica alcalina (AEC)  e la Membrana a scambio protonico (PEM) sono ben posizionate nel mercato e possono raggiungere una potenza nell’ordine dei MW.

Anion Exchange Membrane (AEM) e Solid Oxide Electrolier Cell (SOEC) sono ancora a livello prototipale e possono raggiungere una potenza nell’ordine dei kW.

Struttura della cella per le quattro principali tecnologie di elettrolisi. Fonte: S.Campanari, P. Colbertaldo, G. Guandalini “Power to Hydrogen”, in: Small Scale Power Generation Handbook, Elsevier, in press. Clicca sull’immagine per ingrandire

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.

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.

Impianto di elettrolisi da800 MW nella città di Lubmin

La ditta francese Lhyfe intende a Lubmin (Germania), a partire dal 2029, fino a 330 tonnellate al giorno di idrogeno verde, grazie ad una capacità di elettrolisi installata pari a 800 MW.

L’H2 generato nell’ambito di questo nuovo progetto verrà immesso nella futura rete di idrogenodotti da quasi 10.000 Km che il Governo tedesco intende realizzare investendo ben 20 miliardi di euro entro il 2032.

 L’hub di produzione di idrogeno rinnovabile sarà costruito in prossimità alla futura European Hydrogen Backbone. 

La futura European Hydrogen Backbone (EHB) sarà una rete di idrogenodotti lunga circa 40.000 chilometri, in grado di collegare 21 paesi europei. Il progetto è stato lanciato nel 2020 da un consorzio di 11 operatori europei di trasmissione gas, tra cui l'italiana Snam.

A Lubmin, l’impianto sorgerà sul  sito di una ex centrale nucleare dismessa e potrà sfruttare l’energia rinnovabile prodotta da diverse wind farm offshore attive nel Mare del Nord per alimentare gli impianti di elettrolisi.

 

Riferimenti

BP, Statistical Review of World Energy. (2021).

Peakoil

Andreas Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016

Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)

RMI, Energia pulita 101: Idrogeno

ENEA,  I ‘colori’ dell’idrogeno nella transizione energetica

Hydrogen Europe,  Hydrogen - a carbon-free energy carrier and commodity, novembre 2021

Convington, New Definitions for Blue and Green Hydrogen: The European Commission’s Package on Hydrogen and Decarbonized Gas Markets

GlobalData, Hydrogen

Kompakt, Pyrolysis, ottobre 2022

Lee et al., Scenario-Based Techno-Economic Analysis of Steam Methane Reforming Process for Hydrogen Production, Appl. Sci. 2021, 11(13), 6021; https://doi.org/10.3390/app11136021

Energoclub, steam reforming

GICO Project

Sotacarbo, Idrogeno verde: elettrolisi ed elettrolizzatori

hydronews, Lhyfe lancia un nuovo progetto in Germania: 800 MW di elettrolisi nella città di Lubmin per produrre 330 tonnellate al giorno di H2 green

 Idrogeno dalla gassificazione delle biomasse Idrogeno dalla fotoelettrolisi  



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