Nell’ambito del progetto HighHy, un team internazionale di ricercatori tedeschi e neozelandesi sta lavorando per migliorare l’efficienza dell’emergente tecnologia di elettrolisi AEM per produrre idrogeno verde. Per rendere questo possibile, gli scienziati dell’Istituto Fraunhofer per le tecnologie di produzione e i materiali avanzati IFAM di Dresda si sono rivolti ai metalli manganese e nichel, facilmente reperibili e a basso consumo di risorse, nel tentativo di introdurre questo promettente processo di elettrolisi nell’industria su larga scala. La nuova tecnologia offre una serie di altri vantaggi, oltre alla riduzione dei costi rispetto ai processi esistenti.
L’idrogeno potrebbe essere la risposta a molte delle sfide poste dalla transizione energetica. L’elemento più leggero della tavola periodica è un tuttofare e può essere utilizzato nel trasporto su strada, nell’industria e nella fornitura di calore. Il fatto che l’idrogeno sia così versatile significa che in futuro ne saranno probabilmente necessarie grandi quantità. Tuttavia, la produzione di massa è ancora irta di sfide, molte delle quali il team del progetto HighHy intende affrontare sviluppando catalizzatori per una produzione di idrogeno altamente efficiente ed economica.
Produrre idrogeno con i processi di elettrolisi
L’idrogeno può essere prodotto attraverso l’elettrolisi su scala industriale. L’energia elettrica viene utilizzata per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno quando viene immersa in acqua mescolata con un sale conduttore – il cosiddetto elettrolita. L’energia viene assorbita e immagazzinata nell’idrogeno sotto forma di legami chimici. Questo gas è quindi un interessante mezzo di stoccaggio energetico a lungo termine per l’energia generata, ad esempio, da turbine eoliche o pannelli solari che non possono essere immessi direttamente nella rete. L’idrogeno generato da fonti di energia rinnovabili è noto come “verde”.
Esistono tre principali processi di elettrolisi attualmente in uso su larga scala. Il più rilevante dal punto di vista tecnico e storicamente diffuso è l’elettrolisi alcalina (AEL), che prevede l’aggiunta di idrossido di potassio all’acqua, ad esempio. Uno svantaggio di questo processo è la limitatezza del campo di carico parziale inferiore, cioè quando si utilizza un’alimentazione fluttuante, non è possibile prelevare l’intera gamma di potenza come carico elettrico.
HighHy: catalizzatori per un’elettrolisi AEM altamente efficiente
L’elettrolisi con membrane a scambio anionico (AEM) è un approccio relativamente nuovo. Combina i vantaggi dell’AEL, come l’elevata stabilità a lungo termine e l’uso di metalli accessibili e ampiamente disponibili, con quelli della PEM-EL, cioè prestazioni più elevate, adattabilità a carichi diversi e purezza del gas. L’elettrolisi AEM non ha ancora avuto successo nelle applicazioni industriali perché la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) coinvolta nel processo è troppo lenta quando si utilizzano metalli non preziosi. Pertanto, la tensione di cella necessaria per l’elettrolisi dell’acqua è molto elevata per le densità di corrente desiderate e, di conseguenza, l’energia richiesta per la produzione di idrogeno è molto alta.
Questa è la sfida che il progetto HighHy sta affrontando: La collaborazione tra Germania e Nuova Zelanda, finanziata nell’ambito della “Green Hydrogen Research Collaboration with New Zealand” dal Ministero federale tedesco dell’Istruzione e della Ricerca (BMBF), sta lavorando per sviluppare catalizzatori OER e, successivamente, elettrolizzatori AEM ad alta efficienza. “Insieme a tre università neozelandesi e all’Università di Bayreuth, stiamo cercando di trovare la composizione ideale per i catalizzatori necessari”, afferma il dottor Christian Bernäcker, responsabile del gruppo di lavoro sulla tecnologia elettrochimica del Fraunhofer IFAM, riassumendo l’obiettivo del progetto.
Il composto catalizzatore di nichel e manganese
I ricercatori del progetto HighHy intendono utilizzare un innovativo composto di nichel e manganese come catalizzatore OER per produrre idrogeno verde su scala industriale tramite elettrolisi AEM. Questo composto vanta vantaggi cruciali: Entrambi i metalli sono poco costosi e facilmente disponibili come materie prime. Inoltre, presentano un’attività chimica promettente. I team di HighHy stanno lavorando contemporaneamente su potenziali soluzioni con l’obiettivo di sviluppare un composto ideale per l’uso nell’industria.
Il Dr. Clemens Kubeil, ricercatore presso il dipartimento di tecnologia dell’idrogeno del Fraunhofer IFAM di Dresda, dove è responsabile del progetto, spiega il loro approccio: “L’approccio complementare è piuttosto speciale: I partner del progetto stanno testando diversi metodi di sintesi, composizioni, strutture superficiali e dimensioni dei materiali per rivestire i catalizzatori. Alla fine, la soluzione migliore sarà selezionata e sottoposta a test approfonditi con un dimostratore creato in Nuova Zelanda”.
Il team del Fraunhofer IFAM sta contribuendo allo sviluppo di questo catalizzatore con la sua esperienza nelle strategie di metallurgia delle polveri. Non solo l’attività elettrochimica del catalizzatore è importante, ma anche il contatto elettrico tra gli elettrodi e il flusso elettrolitico deve essere ottimizzato, consentendo alle bolle di gas di essere guidate lontano dall’elettrodo nel miglior modo possibile. Il know-how relativo alle strutture porose, come quelle che si creano quando si usa la polvere di nichel-manganese per i rivestimenti, è un fattore chiave in questo caso. I ricercatori sperano che i nuovi catalizzatori riducano la quantità di energia elettrica necessaria per la generazione di ossigeno, migliorando così l’efficienza dell’elettrolisi AEM.
Il potenziale dell’elettrolisi AEM
Esiste un grande potenziale per l’elettrolisi AEM adatta all’uso nell’industria: Gli obiettivi dell’UE per l’utilizzo dell’energia dell’elettrolisi nel nuovo processo sono fissati a circa 48 kilowattora per chilogrammo di idrogeno prodotto entro il 2030. Ciò significa che l’AEM-EL sarebbe in grado di raggiungere un’efficienza di circa l’80%, ossia valori simili a quelli dei processi AEL e PEM-EL precedentemente affermati, offrendo al contempo una flessibilità significativamente maggiore in termini di carichi movimentati e luoghi di utilizzo, oltre a costi dei materiali notevolmente inferiori. “L’obiettivo di prezzo per i costi di acquisizione del sistema di elettrolisi AEM, calcolato fino all’idrogeno prodotto, è di circa 300 euro per chilowattora installato, mentre il PEM-EL si aggira intorno ai 500 euro. Anche per la classica elettrolisi alcalina, l’obiettivo è attualmente ancora di 400 euro. Ciò significa che l’AEM-EL è l’unica soluzione di elettrolisi seria in termini di prezzo”, conclude Clemens Kubeil.
“Il fatto che possa essere prodotta ad alte pressioni grazie alla membrana a tenuta di gas, all’elettrolita a bassa concentrazione e al flusso elettrolitico asimmetrico è un ulteriore vantaggio. Ciò si traduce nella produzione di idrogeno molto puro e compresso, più facile da alimentare. A sua volta, ciò consentirebbe ai sistemi di avviarsi e spegnersi più rapidamente e di funzionare a carico parziale, il che è molto interessante quando si tratta di portare un’applicazione in un mercato fluttuante.”
