La crescente domanda globale di idrogeno verde è alimentata principalmente dal settore industriale. Lo scorso anno, tale domanda ha quasi superato la soglia dei 100 Mt e potrebbe raggiungere i 585 Mt entro il 2050. L’idrogeno verde viene prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, un processo che separa le molecole in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili. Poiché l’unico sottoprodotto è ossigeno, questa tecnologia rappresenta una soluzione chiave per sostenere la crescita industriale e accelerare la transizione energetica globale.
I recenti sviluppi nelle tecnologie di elettrolisi hanno migliorato l’efficienza di questo processo, e lo stesso risultato può essere ottenuto attraverso diverse tecnologie.
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Principali tipi di elettrolizzatori per la produzione industriale di idrogeno
Elettrolisi alcalina (AEL)
Questo metodo utilizza un elettrolita liquido alcalino, tipicamente con idrossido di sodio (NaOH) e idrossido di potassio (KOH) che fungono da conduttori ionici. Questa soluzione passa poi attraverso un separatore a diaframma e viene ricombinata. Quindi, la corrente passa attraverso gli elettroliti, separando l’ossigeno dall’idrogeno.
L’AEL domina il mercato della produzione di idrogeno, soprattutto perché economica e facilmente scalabile. Inoltre, questo processo ha una notevole tolleranza alle impurità dell’acqua. Rispetto ad altre opzioni, gli elettrolizzatori alcalini vantano inoltre una durata di vita più lunga.
Tuttavia, l’AEL è considerata meno efficiente rispetto ai nuovi metodi, in particolare rispetto al PEM. L’elettrolisi alcalina è anche più lenta nel rispondere alle fluttuazioni del carico elettrico, il che può essere problematico nel caso di fonti rinnovabili come l’energia solare o eolica, ad esempio. Inoltre, esiste il rischio di crossover di gas, che si verifica quando l’ossigeno e l’idrogeno si mescolano nel diaframma, compromettendone la sicurezza.
Elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM)
Gli elettrolizzatori PEM si basano su una membrana polimerica solida che separa gli ioni di ossigeno e idrogeno, convogliandoli verso il catodo. Successivamente, gli elettroni e i protoni si combinano per formare idrogeno gassoso. Il PEM è considerato un metodo altamente efficiente, data la sua produzione di idrogeno ad alta pressione, che richiede anche meno spazio di stoccaggio.
Inoltre, questo metodo può fornire il 99,99% di purezza nell’idrogeno prodotto a 30-40 bar (con l’obiettivo di raggiungere 180 bar in futuro). I ricercatori stanno anche lavorando sulla questione della scalabilità, una delle sfide più grandi dell’elettrolisi PEM.
Tuttavia, esistono alcuni svantaggi. Ad esempio, la realizzazione dell’elettrolizzatore richiede metalli preziosi come l’iridio e il platino, che aumentano notevolmente i costi iniziali, soprattutto rispetto all’AEL, limitandone la scalabilità. Inoltre, la membrana polimerica solida può richiedere tecnologie speciali per prevenire il degrado e il crossover idrogeno-ossigeno, rendendo questa opzione ancora più costosa.
Risulta un’opzione eccellente quando è richiesta una produzione di idrogeno ad alta purezza. Si tratta infatti di un sistema molto reattivo che consente una grande flessibilità nella produzione. Grazie al loro design compatto, gli elettrolizzatori PEM possono essere facilmente trasportati e riposizionati quando necessario.
Elettrolisi a ossido solido (SOEC)
In questo processo, sia l’idrogeno che l’ossigeno vengono prodotti utilizzando vapore ed elettricità. Un elettrolita ceramico conduce gli ioni di ossigeno dall’elettrolita solido all’anodo, ricombinandosi successivamente in ossigeno gassoso. Il SOEC funziona ad alte temperature, tipicamente comprese tra 700 °C e 1000 °C, per garantire l’efficienza e, sorprendentemente, ridurre i costi energetici. È stato dimostrato che l’uso del vapore nel processo riduce il potenziale reversibile, cosa impossibile a temperature più basse.
Questo metodo può essere altamente efficiente quando si utilizza il calore proveniente da altri processi, che altrimenti andrebbe sprecato. La tecnologia SOEC consente alle industrie di sfruttare l’energia proveniente da fonti di calore esistenti e utilizzarla per aumentare la produzione di idrogeno verde. Rispetto ad altre tecnologie, la SOEC richiede una quantità di energia notevolmente inferiore per funzionare, il che la rende un’opzione conveniente dal punto di vista economico.
Poiché l’alta temperatura è un requisito fondamentale per la SOEC, potrebbe non essere un’opzione adatta alle industrie che non producono calore di scarto. Sebbene riduca i costi energetici, i costi dei materiali per l’installazione di un sistema SOEC possono essere piuttosto elevati. Il funzionamento ad alte temperature comporta inoltre una maggiore usura delle parti, che spesso richiedono materiali e processi di produzione speciali per una maggiore durata. Tuttavia, la manutenzione può essere più costosa rispetto ad altri metodi.
Elettrolisi con membrana a scambio anionico (AEM) (tecnologia emergente)
L’elettrolisi AEM separa le molecole d’acqua conducendo gli ioni OH- (idrossido) attraverso una membrana alcalina semipermeabile. Nonostante l’uso di una membrana, il processo è più simile all’AEL che al PEM, poiché richiede un ambiente alcalino. Inoltre, i catalizzatori metallici necessari per l’AEM sono molto più economici di quelli utilizzati nell’AEL. Questa tecnologia produce idrogeno verde con un ridotto impatto ambientale. È inoltre adatta per funzionare con pressioni differenziali e densità di corrente elevate.
L’AEM, rispetto agli elettrolizzatori PEM, non richiede metalli rari per funzionare. Tuttavia, questa tecnologia fornisce idrogeno ad alta purezza proprio come il PEM, migliorando la sua economicità.
Si tratta di una tecnologia molto promettente, ma ancora in fase di sviluppo. La durata e la stabilità delle membrane sono ancora problematiche e potrebbero ridurre la sua efficienza. Si basano su elettrodi ad alte prestazioni privi di PGM, che possono comunque essere costosi. L’elettrolita alcalino è vulnerabile alla contaminazione e al crossover di gas, il che potrebbe compromettere l’intera produzione.
Principali tipi di elettrolizzatori per uso industriale
| Tipo | Pro | Contro |
|---|---|---|
| AEL | Maggiore durata; tollera le impurità | Risposte più lente alle eventuali fluttuazioni; rischio di crossover del gas |
| PEM | Produzione di idrogeno ad alta purezza, design compatto | Richiede metalli rari; scalabilità limitata |
| SOEC | Può essere integrato con fonti di calore industriali; alta efficienza | Il degrado più rapido del materiale richiede temperature elevate per ottenere prestazioni ottimali |
| AEM | Tecnologia promettente, più conveniente rispetto al PEM | Ancora in fase di sviluppo, problemi di durata e stabilità |
Fattori chiave nella scelta della tecnologia di elettrolisi più adatta
Gli elettrolizzatori non sono economici e possono avere un impatto notevole sui costi di produzione, sui costi operativi, sulle prestazioni a lungo termine e sull’impronta di carbonio. Ecco perché devono essere scelti con cura, in base alle esigenze specifiche di ogni settore, tenendo conto di fattori quali l’alimentazione dell’impianto con energia rinnovabile o dalla rete elettrica.
Indipendentemente dalla tecnologia scelta, FRIEM è in grado di fornire l’unità di conversione più adatta, garantendo affidabilità a lungo termine e prestazioni elevate.