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Idrogeno verde: elettrolisi ed elettrolizzatori

La decarbonizzazione non è solo uno dei tanti obiettivi per il 2050: è un passaggio necessario per la salvaguardia del nostro pianeta. E l’idrogeno verde potrebbe essere la chiave.

La crescita della popolazione mondiale e lo sviluppo economico hanno portato ad un aumento della domanda energetica. Secondo le stime dell’International Energy Agency (Iea), pubblicate alla fine del 2019, la domanda globale di energia aumenterà tra il 25% e il 30% entro il 2040. In un’economia dipendente da carbone e petrolio questo significa più CO2 ed un inasprimento del cambiamento climatico. Un’economia basata sull’idrogeno presenterebbe enormi vantaggi economici ed ambientali, ma è necessario puntare sull’innovazione scientifica per rendere l’idrogeno più competitivo. Questa almeno la scommessa dell’Unione Europea, che entro il 2050 ha stimato investimenti complessivi tra 3 e 18 miliardi di euro per la produzione di idrogeno “low carbon” da combustibili fossili e tra 180 e 470 miliardi di euro per quello prodotto invece dalle fonti rinnovabili.

Visto il favore crescente verso l’idrogeno verde, vale la pena focalizzare l’attenzione sulla tecnologia alla base della sua produzione: il processo di elettrolisi e gli elettrolizzatori.

Esistono molti modi per produrre l’idrogeno ma quello più pulito è l’elettrolisi dell’acqua. Un processo in cui il passaggio di corrente elettrica scompone l’acqua in idrogeno gassoso e ossigeno. Ben noto per la produzione di laboratorio e di nicchia, è il meno utilizzato dall’industria per i costi ancora elevati. L’elettrolisi è al momento competitiva solo per piccole produzioni, tuttavia permette di produrre idrogeno altamente puro e consente un’elevata flessibilità, se accoppiata a sistemi di generazione dell’energia da fonti rinnovabili.

Il fenomeno di scissione dell’acqua avviene in una cella elettrolitica, costituita da due elettrodi, uno positivo e uno negativo, collegati elettricamente, immersi in un liquido chiamato elettrolita e separati da una membrana. Più celle collegate in serie e poste in un unico contenitore costituiscono un elettrolizzatore.

Le principali tipologie di elettrolizzatori impiegabili per la produzione di idrogeno verde sono quattro: alcalina (Aec), a polimero solido (Pem), a membrana a scambio anionico (Aem) e a ossido solido (Soec). Le prime due sono commerciali e possono raggiungere potenze dell’ordine dei megawatt. Per le altre parliamo di chilowatt, con buone prospettive di sviluppo ma ancora senza un mercato consolidato.

L’elettrolizzatore Aec è la tecnologia più sviluppata per la produzione di idrogeno e la più usata a livello commerciale. Opera a bassa temperatura e ha un costo contenuto. Essendo ampiamente utilizzata, ha una rete di fornitura e capacità produttiva consolidate. Ha però una risposta limitata alle fluttuazioni degli input elettrici, soprattutto quando si integra con fonti rinnovabili.

I sistemi di elettrolisi Pem utilizzano un elettrolita solido. Offrono una risposta dinamica più rapida, un design compatto e una maggiore efficienza energetica. La membrana a scambio protonico limita significativamente il passaggio dell’idrogeno e consente un funzionamento ad alta pressione, con riduzione di energia per la compressione e l’accumulo dell’idrogeno.

L’elettrolizzatore Aem combina i vantaggi dei sistemi Pem e alcalini. Il basso costo dei materiali utilizzati, densità ed efficienze energetiche paragonabili alla tecnologia a polimero solido,  consentono di costruire elettrolizzatori fino a 2,4 kW. Le membrane attualmente disponibili in commercio non hanno raggiunto una stabilità sufficiente, limitando l’adozione diffusa di questa tecnologia nelle applicazioni di elettrolisi.

Infine l’elettrolizzatore Soec ha il vantaggio di raggiungere elevati gradi di efficienza pur operando ad alte pressioni e utilizzando catalizzatori di materiale non nobile. Offre un potenziale di sviluppo molto elevato e nonostante risulti la soluzione con maggior potenziale, ad oggi ha un utilizzo commerciale limitato a causa della scarsa durata di vita dovuta alle alte temperature di funzionamento. È tuttora in fase di sperimentazione con alcuni prototipi.

Quattro elettrolizzatori diversi, accumunati criticità da superare per proporsi come la migliore tecnologia per la produzione di idrogeno verde. parte qui la corsa per trovare nuove soluzioni tecnologiche più sostenibili e innovative, a costi contenuti.

Ad oggi sono ancora limitate le esperienze di funzionamento con l’alimentazione diretta da elettricità rinnovabile variabile, che si basano perlopiù su piccoli impianti prototipo. L’elevato potenziale e l’obiettivo di raggiungere maggiori efficienze, oltre alla previsione del calo dei costi delle energie rinnovabili, porteranno con molta probabilità l’elettrolisi a diventare nel giro di qualche anno l’alternativa più economica per la produzione di idrogeno. AMasili

Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.