Tecnologie di elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno verde
L'idrogeno verde è definito come idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando energia rinnovabile. Applicando una corrente elettrica, l'acqua viene scissa nei suoi costituenti elementari - ossigeno e idrogeno - secondo l'equazione riportata di seguito. Nel caso specifico dell'idrogeno verde, l'energia elettrica proviene da fonti rinnovabili come l'energia eolica e solare.
Per eseguire questo processo, è necessario un elettrolizzatore costituito da una serie di celle elettrochimiche, ciascuna composta da un anodo e un catodo - gli elettrodi - separati da un diaframma o da una membrana. Gli elettrodi sono immersi in una soluzione di ioni (l'elettrolita). Queste due regioni, chiamate semicelle, utilizzano l'energia elettrica per avviare reazioni chimiche, in particolare, nel nostro caso, la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno.
A seconda dell'elettrolita, delle condizioni operative, dei materiali e della configurazione della cella, esistono quattro diversi tipi di elettrolisi dell'acqua:
1. Elettrolisi dell'acqua alcalina
2. Elettrolisi dell'acqua a membrana di elettrolita polimerico
3. Elettrolisi dell'acqua a membrana a scambio anionico e
4. Elettrolisi dell'acqua a ossidi solidi.
L'AWE tradizionale è una tecnologia matura ed economicamente vantaggiosa per la produzione di idrogeno verde. L'elettrolizzatore AWE funziona a basse temperature (60-80 ◦C) con una soluzione alcalina concentrata (5M KOH/NaOH).
Gli elettrodi sono costituiti da un'unità di nichel coatizzata ed un diaframma è utilizzato come separatore. La carica ionica è trasportata dallo ione idrossile (OH-), che passa attraverso la struttura porosa del diaframma e costituisce il vettore per sostenere il processo elettrochimico.
L'AWE è adatta per applicazioni su larga scala; tuttavia, le sue principali sfide sono le densità di corrente limitate (0.1-0.5 A/cm2) e l'uso di elettroliti corrosivi (KOH). Inoltre, l'AWE produce idrogeno di bassa purezza (99,9%) perché il diaframma non impedisce completamente il passaggio dei gas da una semicella all'altra.
L'AWE si è evoluta da quando è stata sviluppata inizialmente.
A differenza della tecnologia tradizionale, l'AWE aumentata vanta densità di corrente più elevate, che hanno raggiunto valori di 1.2 A/cm2, con un consumo di energia elettrica inferiore. Ciò è dovuto all'uso di elettrodi elettrocatalizzati, a una configurazione della cella a zero-gap e a un diaframma migliorato che consente una maggiore flessibilità dell'elettrolizzatore e una migliore qualità del gas.
Utilizza una membrana polimerica solfonata come elettrolita.
La carica ionica è trasportata dallo ione H+ che passa attraverso la membrana conduttrice di protoni per mantenere la funzionalità del processo elettrochimico. In genere, l'elettrolisi dell'acqua PEM funziona a basse temperature (50-80 ◦C) con alte densità di corrente (1.0-5.0 A/cm2) e produce idrogeno di elevata purezza (99.999%). Tuttavia, la sfida principale associata al PEM WE è il costo elevato dei componenti e degli elettrocatalizzatori, entrambi costituiti rispettivamente da metalli nobili e ossidi di iridio.
L'AEM WE è una tecnologia emergente per la produzione di idrogeno verde. Questa tecnologia è simile all'AWE convenzionale, con la principale differenza della sostituzione dei diaframmi tradizionali con una membrana a scambio anionico.
L'AEM WE offre diversi vantaggi, come l'economicità dei catalizzatori a base di metalli di transizione invece di quelli a base di metalli nobili. Inoltre, è possibile utilizzare come elettroliti acqua distillata/soluzioni alcaline a bassa concentrazione (1M KOH) invece di quelle ad alta concentrazione (soluzione 5M KOH).
Nonostante questi vantaggi significativi, l'AEM WE richiede ancora ulteriori ricerche sull'efficienza e longevità delle celle, caratteristiche essenziali per le applicazioni su larga scala o commerciali.
La cella di elettrolisi dell'acqua a ossidi solidi (SOEC) è una tecnologia emergente ed è stata concepita per la prima volta negli anni settanta. In genere, l'elettrolizzatore d'acqua a ossidi solidi funziona con acqua sotto forma di vapore a temperature elevate (500-850 ◦C).
La SOEC offre dei vantaggi principali rispetto alle tecnologie di elettrolisi esistenti: il primo è l'elevata temperatura di funzionamento, che si traduce in efficienze di conversione favorevoli e ineguagliabili.
Il secondo è che questa tecnologia può essere integrata termicamente con produzione di materiali chimici, come la produzione di ammoniaca.
Inoltre, l'elettrolisi dell'acqua a ossidi solidi non richiede l'uso di elettrocatalizzatori di metalli nobili per ottenere un'elevata efficienza di conversione. Nonostante questi vantaggi, la scarsa longevità della cella ha impedito la commercializzazione dell'elettrolisi dell'acqua a ossidi solidi.
Qual è la tecnologia migliore da immettere sul mercato per la produzione su larga scala di idrogeno verde? Noi di De Nora crediamo che ogni tecnologia presenti sfide e opportunità.
Tuttavia, l'AEM WE e il SOEC sono ancora agli albori, e hanno ancora bisogno di ricerca e investimenti per portarli a un livello accettabile prima della commercializzazione. PEM e AWE sono entrambe tecnologie mature e presenti sul mercato da più tempo.
Sebbene la PEM funzioni con una maggiore densità di corrente e l'elettrolizzatore sia molto più facile da gestire grazie al suo minore ingombro, l'AWE è una tecnologia molto più economica e robusta e qui in De Nora riteniamo che l'AWE aumentata sia quella ottimale da scalare e portare sul mercato per la commercializzazione e la produzione di idrogeno verde.