Una generazione innovativa di elettrolizzatori di idrogeno rinnovabile
A diciotto mesi dal suo lancio, il progetto europeo X-SEED sta raggiungendo la fase intermedia con progressi promettenti verso lo sviluppo di un nuovo elettrolizzatore in grado di produrre idrogeno rinnovabile in modo più efficiente e a costi inferiori rispetto alle tecnologie esistenti.
Coordinato da Leitat e con il sostegno del Clean Hydrogen Partnership nell'ambito del programma Horizon Europe dell'Unione Europea, il progetto continua a rafforzare la sua posizione di potenziale punto di svolta nella produzione di idrogeno rinnovabile a basso costo per promuovere la decarbonizzazione dell'industria e della mobilità.
Dal suo avvio ufficiale nel gennaio 2024, il consorzio X-SEED - composto da Leitat, Snam S.p.A., Particular Materials, Industrie De Nora e l'Università Tecnica della Danimarca - ha lavorato intensamente per progettare, modellare e preparare la cella e i componenti chiave della tecnologia dell'elettrolizzatore che funziona con acqua supercritica. Questo approccio innovativo mira a superare molti dei limiti dei dispositivi commerciali attuali, aprendo la strada a una nuova generazione di sistemi di produzione di idrogeno più semplici, efficienti e sostenibili.
La prima metà del progetto si è concentrata sulla progettazione e la convalida degli elementi fondamentali del nuovo elettrolizzatore. Sono stati compiuti passi significativi in tre aree principali. In primo luogo, la progettazione e la simulazione dell'elettrolizzatore, in cui i ricercatori hanno sviluppato una cella supercritica senza membrana insieme alla sua configurazione a stack.
X-SEED ha sviluppato modelli sia bidimensionali che tridimensionali per comprendere meglio il funzionamento dell'elettrolizzatore con acqua in condizioni supercritiche e per valutarne le prestazioni. Questi modelli hanno permesso, ad esempio, di identificare la gamma più adatta di portate di alimentazione, con l'obiettivo di ottenere una corretta separazione dei gas rimanendo al di fuori dei limiti di infiammabilità. Vale la pena sottolineare che stiamo attualmente lavorando all'ottimizzazione di questi parametri per soddisfare tutti i requisiti del progetto, dalla sicurezza alle considerazioni di budget.
In secondo luogo, lo sviluppo di catalizzatori ed elettrodi, dove i ricercatori hanno sviluppato più di dieci nuovi catalizzatori utilizzando tecniche avanzate come l'elettrofilatura e la sintesi idrotermica a flusso continuo. Questi catalizzatori sono stati integrati in elettrodi appositamente progettati e costruiti su una rete Inconel resistente. I test di laboratorio hanno confermato che i materiali soddisfano gli obiettivi tecnici del progetto in termini di composizione, mentre la loro stabilità in condizioni supercritiche in acqua deve ancora essere dimostrata. I materiali hanno anche mostrato prestazioni elettrochimiche promettenti.
Sebbene gli obiettivi di efficienza e attività non siano stati ancora pienamente raggiunti, gli scienziati sottolineano che il lavoro è in corso e che sono previsti ulteriori miglioramenti. Il team ha inoltre valutato la sostenibilità e la circolarità dei catalizzatori. In un esempio degno di nota, sono riusciti a produrre catalizzatori di ossido di nichel (NiO) utilizzando acque reflue provenienti dall'industria galvanica, dimostrando l'impegno del progetto verso un'innovazione più verde e sostenibile. In terzo luogo, il team ha avviato la preparazione dell'area di prova, dove la cella e lo stack saranno testati con un sistema di prova appositamente progettato per funzionare in condizioni supercritiche. Questa configurazione consentirà ai ricercatori di effettuare valutazioni approfondite di un processo senza membrana per la scissione dell'acqua ad alte temperature e pressioni, un approccio che potrebbe aprire nuove strade per la produzione di idrogeno rinnovabile.
Secondo Pau Bosch, coordinatore scientifico di X-SEED presso Leitat, i progressi compiuti finora dimostrano la fattibilità del concetto e confermano che il consorzio è sulla strada giusta per realizzare una tecnologia rivoluzionaria per l'idrogeno rinnovabile.
I primi risultati hanno già dimostrato che la produzione di idrogeno rinnovabile con un elettrolizzatore senza membrana è fattibile, ottenendo un flusso di idrogeno di alta qualità al di fuori dei limiti di infiammabilità ottimizzando le condizioni operative come le portate d'acqua.
Ciò rappresenta una riduzione dei costi energetici e di prezzo rispetto alle tecnologie elettrolizzatrici convenzionali, poiché le membrane sono uno dei componenti deboli che causano limitazioni in termini di prestazioni e durata, oltre ad aumentare i costi dell'elettrolizzatore, rafforzando il potenziale di X-SEED di aumentare l'efficienza della produzione di idrogeno, ridurre i costi di produzione, minimizzare l'uso di materie prime scarse e costose e prolungare la durata degli elettrolizzatori. Questi progressi potrebbero rendere l'idrogeno rinnovabile non solo tecnicamente fattibile, ma anche economicamente competitivo rispetto ai percorsi di produzione di idrogeno basati sui combustibili fossili, accelerando la transizione energetica in Europa.
Come ogni progetto ambizioso di ricerca e innovazione, anche X-SEED ha dovuto affrontare una serie di sfide, come la mancanza di informazioni sulle proprietà dei diversi elettroliti in condizioni supercritiche, che ha reso difficile lo sviluppo dei modelli per la progettazione dell'elettrolizzatore. Tuttavia, il consorzio è riuscito a superarle combinando le competenze complementari di aziende leader, partner accademici e sviluppatori di tecnologie. Questa collaborazione multidisciplinare rimane una pietra miliare del successo del progetto.
Guardando al futuro, la seconda metà del progetto prevede la costruzione del banco di prova dell'elettrolizzatore che funziona con acqua in condizioni supercritiche e la convalida e l'ottimizzazione delle sue prestazioni. Ciò comprenderà la costruzione e il collaudo di un elettrolizzatore in grado di funzionare in condizioni supercritiche, l'integrazione del catalizzatore e degli elettrodi sviluppati, la valutazione delle sue prestazioni, efficienza e durata, e la garanzia che il nuovo sistema possa funzionare in modo affidabile per lunghi periodi.
Il consorzio effettuerà anche una valutazione ambientale, sociale ed economica completa basata sull'analisi del ciclo di vita per garantire che la tecnologia sia sostenibile da tutti i punti di vista. Allo stesso tempo, saranno esplorati percorsi industriali in collaborazione con gli utenti finali, in modo che l'elettrolizzatore possa essere integrato nei processi e nelle infrastrutture esistenti, in particolare nelle industrie con processi di produzione che richiedono temperature elevate, molto difficili da elettrificare per la decarbonizzazione.
Mentre il progetto volge al termine, il consorzio è fiducioso che X-SEED contribuirà in modo decisivo alla competitività dell'idrogeno rinnovabile in Europa. Le sue potenziali applicazioni nei settori ad alta intensità energetica, della mobilità e dello stoccaggio di energia potrebbero svolgere un ruolo importante nella riduzione delle emissioni di CO₂ e nel rendere l'Europa meno dipendente dai combustibili fossili.
Pau Bosch, coordinatore scientifico di X-SEED presso Leitat, sottolinea l'importanza del progetto:
A un anno e mezzo dal completamento e con un altro anno e mezzo ancora da percorrere, X-SEED si sta consolidando come una delle iniziative più ambiziose in Europa per la produzione di idrogeno rinnovabile. Il consorzio continuerà ad avanzare con costanza verso la dimostrazione finale della tecnologia, con l'obiettivo chiaro di rendere possibile un'economia dell'idrogeno sostenibile, competitiva in termini di costi e scalabile.