L'evoluzione dell'Elettrolisi Alcalina dell'Acqua tradizionale

L'elettrolisi dell'acqua è nota da oltre 200 anni e il primo esperimento di utilizzo di una pila voltaica per scindere l'acqua risale al 1800.
Nel 1902 erano in funzione più di 400 unità industriali di elettrolisi dell'acqua. Inoltre, nel XX secolo furono sviluppati diversi elettrolizzatori per l’elettrolisi dell’acqua alcalina commerciali per generare idrogeno necessario alla produzione di ammoniaca utilizzando l'energia idroelettrica.
Oggi l'elettrolisi dell'acqua alcalina (AWE) è una tecnologia matura e la soluzione più importante per la produzione di idrogeno verde, in quanto è una tecnologia consolidata, relativamente semplice, efficiente, competitiva e può essere abbinata a fonti di energia rinnovabili come l'energia solare o eolica.

L'elettrolisi alcalina (AWE) è un tipo di elettrolisi che avviene in un ambiente alcalino, cioè a pH basico, utilizzando come elettrolita una soluzione altamente concentrata di idrossido di potassio (KOH) o idrossido di sodio (NaOH). Il processo avviene in una cella elettrolitica, costituita da due elettrodi - un anodo e un catodo - separati da un diaframma e immersi nella soluzione elettrolitica.

Quando una corrente elettrica passa attraverso gli elettrodi, le molecole d'acqua al catodo (elettrodo negativo) si riducono, cioè guadagnano elettroni e formano idrogeno gassoso (H2):

Contemporaneamente, gli ioni idrossile all'anodo (elettrodo positivo) si ossidano, perdendo elettroni e formando ossigeno gassoso (O2):

Complessivamente, la reazione può essere rappresentata come:

Dalla sua origine, l'elettrolisi dell'acqua alcalina ha conosciuto enormi progressi e l'AWE tradizionale è stata sostituita dalla nuova elettrolisi dell'acqua alcalina avanzata. Basandosi sulle conoscenze centenarie della tradizionale AWE, la tecnologia più recente vanta migliori densità di corrente, efficienza energetica e un ingombro ridotto. Infatti, le AWE sono passate da 0.1-0.25 A/cm2 a oltre 1.0 A/cm2 di densità di corrente, con consumi energetici specifici inferiori o simili.

Il grafico seguente mostra le prestazioni della nuova AWE di De Nora rispetto alle AWE tradizionali. Considerando una densità di corrente specifica espressa come produzione di idrogeno (legge di Faraday), si osserva che la nuova AWE con tecnologia De Nora offre un consumo di energia elettrica notevolmente inferiore rispetto all’AWE tradizionale. Allo stesso modo, se si considera un consumo specifico di energia elettrica, si può lavorare a densità di corrente significativamente più elevate (espresse come produzione di idrogeno).

Ciò è dovuto al fatto che De Nora utilizza elettrodi catalizzati d’avanguardia, un diaframma migliore e una configurazione della cella a zero-gap per ridurre il sovrapotenziale e le resistenze ohmiche.

Per ridurre al minimo il sovrapotenziale della cella, la nuova AWE avanzata di De Nora ha abbandonato l'uso tradizionale di piastre di nichel e nichel Raney come elettrodi. Infatti, la ricerca di De Nora si è concentrata sulla ricerca dei materiali più performanti da utilizzare come coating elettrocatalitici da applicare alla superficie degli elettrodi di nichel. Le ricerche sono state indirizzate a studiare i coating più robusti in grado di resistere alle correnti inverse, alle densità di corrente più elevate e alle condizioni pressurizzate. Ad esempio, per creare nuovi catodi, la selezione del coating elettrocatalitico ha riguardato l'uso di miscele di metalli di transizione e di metalli delle terre rare per garantire l'elevata robustezza degli elettrodi.

Allo stesso modo, i nuovi diaframmi sono più sottili di quelli utilizzati nelle tradizionali AWE e sono realizzati con materiali innovativi come polimeri plastici e alcuni sali inorganici (zirconia) che sostituiscono il vecchio amianto. Questi polimeri hanno una porosità tale da permettere agli ioni di muoversi attraverso il diaframma, conferiscono una maggiore flessibilità al sistema e impediscono l’interscambio dei gas prodotti - ossigeno e idrogeno.

Infine, le celle AWE tradizionali utilizzano una configurazione a gap finito, ovvero esiste uno spazio tra gli elettrodi e il diaframma. Questo penalizza le prestazioni della cella, poiché lo spazio rappresenta una resistenza ohmica che provoca una caduta di potenziale della cella. In una configurazione zero-gap, che è la configurazione standard della nuova AWE avanzata di De Nora, gli elettrodi sono in contatto diretto con il diaframma e questo riduce al minimo la caduta ohmica dovuta al movimento degli ioni attraverso l'elettrolita.

L'elettrolisi dell'acqua alcalina si è evoluta nel corso degli anni e la nuova AWE avanzata che usa la tecnologia De Nora si distingue dalla AWE tradizionale per le sue densità di corrente più elevate, il miglior consumo energetico e l'ingombro ridotto. La ricerca di De Nora ha lavorato per trovare i materiali più robusti da utilizzare come coating elettrocatalitici e per ridurre la resistenza ohmica adottando una configurazione a zero gap. Nel complesso, queste nuove caratteristiche fanno sì che la nuova AWE si distingua dalle altre tecniche di elettrolisi dell'acqua per il basso costo dell'apparecchiatura, la maturità della tecnologia e il consumo energetico ed è la tecnologia più adeguata per la commercializzazione di idrogeno verde.