Elettrolisi dell'acqua alcalina pressurizzata
L'elettrolisi dell'acqua, è il processo chimico che scinde la molecola dell’acqua nei suoi componenti base: ossigeno e idrogeno. Se abbinata a fonti di energia rinnovabili, questa tecnica è impiegata per produrre idrogeno verde, un vettore fondamentale per il mix energetico globale, con il potenziale di decarbonizzazione i settori dell'energia e dei trasporti.
A seconda delle condizioni sperimentali e del design della cella, esistono diverse varianti dell'elettrolisi dell'acqua. Tra le principali, troviamo:
• L’elettrolisi dell'acqua alcalina (AWE) e l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico (AEM WE), che avvengono a un pH basico.
• L'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico (PEM WE), che opera a un pH acido.
• Le celle a ossidi solidi (SOEC), che utilizzano minerali per scindere il vapore acqueo a temperature di 500-800 °C.
In particolare, l'AWE utilizza un diaframma per separare l'anodo e il catodo, mentre PEM e AEM prevedono l'uso di membrane a scambio ionico.
L'AWE è stata sviluppata più di un secolo fa ed è oggi la tecnologia di elettrolisi dell'acqua più matura per la produzione su larga scala di idrogeno verde. Dalle sue origini, si è evoluta, passando dalla AWE tradizionale alla tecnologia avanzata di elettrolisi dell'acqua, una tecnica che impiega rivestimenti elettrocatalitici proprietari di De Nora e diaframmi più sottili.
Inoltre, l’adozione di una configurazione a gap zero per gli elettrodi ha contribuito a migliorarne ulteriormente le prestazioni.
Un altro miglioramento significativo dell'AWE avanzata è che si realizza in condizioni di pressione elevate. Questa caratteristica comporta notevoli vantaggi, come una maggiore efficienza e flessibilità, nonché una facilità nelle operazioni di downstream.
In condizioni di alta pressione, la dimensione delle bolle di idrogeno (legge di Boyle) sulla superficie degli elettrodi è minore rispetto all’AWE atmosferica. Ciò significa che c'è più spazio sulla superficie degli elettrodi per trasformare l'acqua in idrogeno e quindi la reazione di riduzione avviene a velocità più elevate. Le dimensioni ridotte delle bolle, dovute alle pressioni più elevate, rendono anche la soluzione di potassa più conduttiva.
Queste caratteristiche fanno sì che la densità energetica sia più elevata, il che si traduce in una maggiore efficienza della cella.
L'utilizzo della cella come reattore pressurizzato offre un altro grande vantaggio. Infatti, l'idrogeno deve essere sotto pressione durante il processo di downstream in modo che possa essere immagazzinato o utilizzato facilmente per altre applicazioni.
Lavorare sotto pressione significa che l'idrogeno nella linea di produzione è già compresso e non necessita di ulteriori trattamenti, facilitando così le operazioni successive.
Un altro vantaggio significativo della pressurizzazione è la maggiore dinamicità e flessibilità del sistema, soprattutto quando l'approvvigionamento energetico per la produzione di idrogeno verde proviene da fonti rinnovabili intermittenti, come energia solare e eolica.
Durante i processi di accensione e spegnimento, i volumi di idrogeno cambiano drasticamente a causa della variazione del carico di corrente (legge di Faraday).
Se l'idrogeno occupa meno spazio nel sistema grazie alla pressione più elevata, il sistema sarà più dinamico nel rispondere ai frequenti sbalzi positivi e negativi nel volume di idrogeno. Pertanto, il deficit di gas avrà un impatto minore sull'elettrolizzatore e i danni allo stack saranno meno frequenti.
L'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno verde rappresenta una soluzione chiave per la decarbonizzazione. In particolare, l'elettrolisi dell'acqua alcalina pressurizzata si distingue come una tecnologia promettente, in grado di rispondere in modo efficace e innovativo alle sfide del cambiamento climatico.