Elettrolisi dell'acqua e fonti di energia rinnovabili
L’idrogeno verde è uno strumento cruciale per affrontare le sfide del cambiamento climatico e facilitare la transizione verso un futuro a basse emissioni di carbonio.
Il cuore del processo di produzione di idrogeno verde è l'elettrolisi dell'acqua, una tecnologia che sfrutta l'elettricità per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno.
Per essere definito "verde", l’energia impiegata deve provenire da fonti rinnovabili come il solare e l'eolico. Utilizzando input energetici verdi, l'elettrolisi garantisce che l'idrogeno prodotto sia privo di emissioni di carbonio, contribuendo a un panorama energetico più pulito ed ecologico.
Per eseguire l’elettrolisi dell'acqua è necessario un elettrolizzatore, un dispositivo è costituito da una serie di celle elettrochimiche, ognuna con un anodo e un catodo - gli elettrodi - separati da un diaframma o da una membrana. Immersi in una soluzione elettrolitica, questi elettrodi utilizzano l'energia elettrica per avviare reazioni chimiche, come ad esempio la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno.
Un aspetto essenziale della produzione di idrogeno verde tramite fonti rinnovabili, come il solare e l’eolico, è la natura intermittente di tali forniture energetiche. Ciò significa che l'elettrolizzatore funziona a intervalli specifici e in modo intermittente. Ad esempio, se collegato a un impianto fotovoltaico, l'elettrolizzatore funziona di giorno, ma rimane inattivo di notte.
Allo stesso modo, se collegato a una pala eolica, questo funziona esclusivamente nei giorni di vento.
Gli elettrodi (anodo e catodo), costituiti da un substrato e un rivestimento elettrocatalitico devono sopportare le condizioni stressanti causate dall'intermittenza dell'energia.
Da un punto di vista pratico, un elettrolizzatore opera a una specifica tensione di cella per eseguire il processo di elettrolisi dell'acqua. Ciò significa che l'anodo è caricato positivamente e il catodo negativamente, con la corrente elettrica che fluisce in una direzione specifica per produrre idrogeno e ossigeno. Quando la corrente si interrompe, gli elettrodi cambiano polarità e la corrente elettrica inizia a scorrere nella direzione opposta, creando così la cosiddetta corrente inversa. Queste correnti inverse possono danneggiare il rivestimento elettrocatalitico degli elettrodi.
Stabilità dei rivestimenti elettrocatalitici
In particolare, i rivestimenti elettrocatalitici hanno un intervallo di stabilità, il che significa che sono chimicamente stabili in un intervallo specifico di tensione di cella. Quando la tensione della cella viene invertita, l'anodo ossida il catodo e questi rivestimenti elettrocatalitici si solubilizzano leggermente. Pertanto, è essenziale formulare rivestimenti in grado di resistere a un'ampia gamma di potenziali di cella per evitare la loro degradazione chimica.
Ciò può essere ottenuto applicando una serie di metalli e ossidi metallici sul substrato e un layer intermedio o superiore al rivestimento elettrocatalitico. Pertanto, la protezione di tale materiale comporta sia la formulazione del rivestimento stesso che la sua distribuzione sul substrato metallico.
L’importanza dell’analisi dati e machine learning
Un elemento chiave di questa ricerca è la grande quantità di dati che gli scienziati devono analizzare per valutare le prestazioni degli elettrodi. In primo luogo, è importante capire la quantità di rivestimenti elettrocatalitici presente sul substrato di ciascun elettrodo. Questo viene fatto attraverso la fluorescenza a raggi X (XRF).
In secondo luogo, gli scienziati utilizzano il machine learning per analizzare la serie di dati raccolti per ogni analisi, al fine di accelerare il lavoro analitico necessario per analizzare le prestazioni in condizioni di corrente inversa.
L’innovazione De Nora per un futuro sostenibile
La ricerca in corso presso De Nora mira a ottimizzare i rivestimenti elettrocatalitici per resistere agli arresti continui ed evitare la degradazione chimica. Questa ricerca è fondamentale per la produzione su larga scala di idrogeno verde, un vettore energetico fondamentale per decarbonizzare il settore energetico e diventare net zero entro il 2050.