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| Un impianto di elettrolisi dell'idrogeno presso Energiepark Mainz a Mainz, Germania | BLOOMBERG |
japantimes
Un decennio fa, la Cina ha utilizzato i prezzi bassi per dominare la produzione solare, spazzando via i concorrenti occidentali proprio mentre la domanda mondiale di pannelli iniziava a salire. Gli Stati Uniti e l'Europa sono determinati a non lasciare che accada la stessa cosa con l'idrogeno .
Mentre il mondo corre verso la decarbonizzazione, il prossimo round di competizione ruota attorno a un dispositivo chiamato elettrolizzatore . Collegali a elettricità pulita come l'energia solare ed è possibile estrarre l'idrogeno dall'acqua senza produrre alcuna emissione di riscaldamento del pianeta. Questo è un passo cruciale nella creazione di un combustibile verde in grado di decarbonizzare industrie come l'acciaio, il cemento o le spedizioni.
Le aziende di tutto il mondo stanno già accelerando la produzione di elettrolizzatori, gli impianti di idrogeno verde sono in costruzione e l'industria sta finalmente facendo il salto dai progetti pilota alla scala industriale. Bloomberg NEF, un gruppo di ricerca sull'energia pulita, stima che la produzione mondiale di elettrolizzatori dovrà aumentare di 91 volte entro il 2030 per soddisfare la domanda. Ma molti veterani occidentali della tecnologia pulita guardano alla concorrenza emergente con una nauseante sensazione di déjà vu. Più del 40% di tutti gli elettrolizzatori prodotti oggi proviene dalla Cina, secondo BNEF.
Gli elettrolizzatori cinesi non sono efficienti come quelli prodotti negli Stati Uniti e in Europa, ma costano molto meno, circa un quarto di quanto fanno pagare le aziende occidentali. Le società cinesi di elettrolizzatori servono ancora in gran parte il loro mercato interno, ma stanno iniziando ad espandere le vendite all'estero.
L'invasione russa dell'Ucraina ha portato a casa il valore del carburante che può essere prodotto in Europa e ha aumentato le ambizioni del continente per l'idrogeno. Eppure, alcuni sostenitori dell'idrogeno affermano che l'Unione Europea non sta seguendo, mettendola in svantaggio sia con gli Stati Uniti che con la Cina. Il sindacato ha fissato un obiettivo per la produzione di idrogeno verde - 10 milioni di tonnellate all'anno entro il 2030 - ma non ha ancora deciso quali metodi si qualificheranno come "verdi". Ciò rende difficile per le aziende impegnarsi nei grandi progetti di produzione di idrogeno che aumenterebbero gli ordini di elettrolizzatori.
"Ho paura che le quote di mercato nel settore degli elettrolizzatori vengano portate via dall'Europa e spedite in altre aree geografiche", ha affermato Jorgo Chatzimarkakis, amministratore delegato del gruppo di lobbying Hydrogen Europe con sede a Bruxelles.
Nel frattempo, molti analisti si aspettano che l'efficienza degli elettrolizzatori cinesi migliori, erodendo ogni vantaggio tecnologico che ora hanno le aziende statunitensi ed europee.
"Non ho dubbi che la Cina stia lavorando a elettrolizzatori migliori", ha affermato Bridget van Dorsten, analista senior dell'idrogeno presso la società di ricerca e consulenza Wood Mackenzie. "Il giorno in cui la Cina deciderà di non essere più un ritardatario è il giorno in cui non lo sarà più un ritardatario.
E alcune aziende cinesi hanno un vantaggio. I produttori di apparecchiature chimiche hanno realizzato elettrolizzatori per anni, installando sistemi di elettrolisi dell'acqua su larga scala per varie industrie manifatturiere come la produzione di polisilicio per celle solari.
Gli elettrolizzatori usano l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, e le loro versioni sono sul mercato dagli anni '20. Molti paesi ora vedono l'idrogeno come la migliore scommessa per la decarbonizzazione delle industrie che non possono funzionare facilmente con l'elettricità. Se l'energia di un elettrolizzatore proviene da un impianto solare o eolico o da un reattore nucleare, anche il processo di produzione dell'idrogeno è privo di carbonio.
Elettrolisi a bassa temperatura: celle alcaline
Gli elettrolizzatori alcalini (Alkaline ELectrolyser, AEL) sono la tecnologia più sviluppata, in particolare per applicazioni stazionarie e/o continue, mentre le applicazioni che sfruttano produzione elettrica intermittente e richiedono funzionamento flessibile sono meno diffuse.
L’elettrolita è liquido, tipicamente una soluzione acquosa di KOH o NaOH, che circola tra due elettrodi in materiale metallico (generalmente leghe di Ni), trasferendo ioni OH- tra catodo e anodo, a temperature di 60-80°C. Un diaframma, permeabile all’elettrolita, impedisce il miscelamento di idrogeno e ossigeno che restano separati rispettivamente al lato catodico e anodico. I flussi di gas ed elettrolita uscenti da catodo e anodo vengono inviati a due separatori liquido-vapore, da cui l’elettrolita residuo viene ricircolato mentre i gas possono essere ulteriormente purificati ed inviata a impieghi esterni.
L’elettrolisi alcalina conta numerose installazioni in ambito industriale, con potenze da medio-piccole fino all’ordine delle decine di MW, spaziando dall’industria della lavorazione dei metalli a casi di produzione di idrogeno su grande scala in ambito chimico o con uso di energia idroelettrica su impianti ad acqua fluente.
Tra i principali costruttori si trovano ad esempio NEL Hydrogen (Norvegia) e Thyssenkrupp (Germania) che opera in collaborazione con De Nora (Italia), Cummins-Hydrogenics (USA/Canada), McPhy (Francia), ErreDue (Italia).
Elettrolisi a bassa temperatura: cella a membrana a scambio protonico
Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (Proton Exchange Membrane ELectrolyser, PEMEL) sono anch’essi disponibili commercialmente, benché a uno stadio di industrializzazione e sperimentazione su scala meno ampia degli elettrolizzatori alcalini.
Si basano su un elettrolita costituito da una membrana polimerica che in presenza d’acqua consente il trasferimento di protoni (ioni H+), garantendo una presenza quasi nulla di ossigeno nel flusso di idrogeno prodotto, alloggiato tra elettrodi metallici. Il funzionamento è a temperature di 50-70°C e la struttura che ne risulta consente di sviluppare stack estremamente compatti grazie al ridotto spessore e al funzionamento ad alta densità di corrente e media-alta pressione, con vantaggi di rapida risposta ai transitori di potenza elettrica in ingresso. Una criticità di questa tecnologia è la necessità di materiali preziosi come catalizzatori (Pt, Ir), motivo per cui gran parte della ricerca in corso è indirizzata alla riduzione ed ottimizzazione delle quantità di catalizzatore richieste oltre che alla loro piena riciclabilità.
La tecnologia, sviluppata fin dagli anni ’60 per le missioni Gemini della NASA, ha accelerato la sua evoluzione nell’ultima decade, anche grazie al progresso delle corrispondenti fuel cell PEM nel settore trasporti, che utilizzano componenti simili. Tra i principali costruttori troviamo ad esempio ITM Power (UK), NEL Hydrogen (USA-Norvegia), Siemens (Germania), AREVA H2 Gen (Francia), Giner (USA), Cummins-Hydrogenics (USA/Canada), H-TEC (Germania).
Elettrolisi a bassa temperatura: celle a membrana a scambio anionico
Una terza tecnologia a bassa temperatura sono gli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEMEL). Benché meno noti e di sviluppo più recente, hanno recentemente mostrato ottimi progressi e vi sono diversi produttori a livello proto-commerciale. Operano a bassa temperatura (30-60°C) e possono unire i vantaggi dell’ambiente alcalino (assenza o forte limitazione della presenza di materiali nobili) e dell’elettrolita solido (membrane polimeriche capaci di trasferire selettivamente ioni OH-). Un vantaggio rispetto agli AEL è la riduzione della presenza di fluido corrosivo, mentre rispetto ai PEMEL si evidenziano costi inferiori per le membrane e per l’utilizzo di materiali meno costosi.
La tecnologia è tuttavia a uno stadio di sviluppo inferiore e meno omogeneo rispetto ad AEL e PEMEL. Tra i costruttori noti vi sono Enapter (Germania) ed EnStack (Italia).
Elettrolisi ad alta temperatura: celle ad ossidi solidi
Gli elettrolizzatori ad ossidi solidi (SOEL, Solid Oxide ELectrolysis) producono idrogeno a partire da acqua in forma di vapore e si trovano attualmente a un livello di sviluppo pre-commerciale. Operano a temperature elevate (600-900°C), con impiego di elettroliti ceramici ad ossidi solidi a scambio ossigeno. Punto di forza di questi dispositivi sono i rendimenti elettrici più elevati, superiori all’80% ed anche >90-95% a seconda delle opzioni di integrazione termica, realizzabile ad esempio in processi industriali che comprendono sezioni ad alta temperatura (es. produzione di acciaio, raffinerie), su cui sono infatti in corso progetti rilevanti finanziati da programmi di ricerca quali Horizon2020 in Europa e H2@Scale in USA. Sono di contro caratterizzati da una limitata flessibilità operativa, non compatibile con frequenti on/off a causa delle alte temperature, che comportano elevata inerzia e richiedono lenti transitori termici per non compromettere i materiali. Allo stato attuale, i costi d’investimento sono ancora elevati, sia pure con prospettive di forte calo al crescere dei volumi produttivi, e la vita utile dimostrata (dell’ordine delle 20-30.000 h) presenta ancora necessità di miglioramento.
Gli elettrolizzatori ad ossidi solidi utilizzano i medesimi materiali delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), tanto che un altro punto di forza è la possibilità di funzionare in modo completamente reversibile, alternativamente come fuel cell, producendo elettricità e consumando idrogeno, e come produttori di idrogeno consumando elettricità, con potenzialità molto interessanti per applicazioni di accumulo energetico. Possono, inoltre, operare con fluidi diversi dall’acqua, ad esempio con CO2 per la produzione di gas sintetici, con la capacità di integrarsi utilmente in numerosi processi chimici.
Mentre il mondo corre verso la decarbonizzazione, il prossimo round di competizione ruota attorno a un dispositivo chiamato elettrolizzatore . Collegali a elettricità pulita come l'energia solare ed è possibile estrarre l'idrogeno dall'acqua senza produrre alcuna emissione di riscaldamento del pianeta. Questo è un passo cruciale nella creazione di un combustibile verde in grado di decarbonizzare industrie come l'acciaio, il cemento o le spedizioni.
Le aziende di tutto il mondo stanno già accelerando la produzione di elettrolizzatori, gli impianti di idrogeno verde sono in costruzione e l'industria sta finalmente facendo il salto dai progetti pilota alla scala industriale. Bloomberg NEF, un gruppo di ricerca sull'energia pulita, stima che la produzione mondiale di elettrolizzatori dovrà aumentare di 91 volte entro il 2030 per soddisfare la domanda. Ma molti veterani occidentali della tecnologia pulita guardano alla concorrenza emergente con una nauseante sensazione di déjà vu. Più del 40% di tutti gli elettrolizzatori prodotti oggi proviene dalla Cina, secondo BNEF.
Gli elettrolizzatori cinesi non sono efficienti come quelli prodotti negli Stati Uniti e in Europa, ma costano molto meno, circa un quarto di quanto fanno pagare le aziende occidentali. Le società cinesi di elettrolizzatori servono ancora in gran parte il loro mercato interno, ma stanno iniziando ad espandere le vendite all'estero.
"Ho sentito troppi funzionari governativi dire che non possiamo ripetere di nuovo l'esperienza del solare", ha detto l'analista dell'idrogeno di BNEF, Xiaoting Wang.Il presidente Joe Biden è stato vicepresidente durante gli anni cruciali in cui la Cina ha preso il comando nella produzione solare. Ora vede la Cina come un concorrente più che come un fornitore, e ha fatto del ritorno della produzione di tecnologia pulita negli Stati Uniti un pilastro delle sue politiche climatiche. Gli Stati Uniti sono determinati a non lasciare che la Cina controlli questo nuovo boom energetico e l'Inflation Reduction Act di Biden riversa denaro sulla produzione interna di idrogeno.
"La realtà è che gli Stati Uniti daranno sussidi molto generosi per garantire la sopravvivenza dei fornitori locali", ha affermato Wang.L'Europa ha le sue ragioni per volere un pezzo di questa nascente industria.
L'invasione russa dell'Ucraina ha portato a casa il valore del carburante che può essere prodotto in Europa e ha aumentato le ambizioni del continente per l'idrogeno. Eppure, alcuni sostenitori dell'idrogeno affermano che l'Unione Europea non sta seguendo, mettendola in svantaggio sia con gli Stati Uniti che con la Cina. Il sindacato ha fissato un obiettivo per la produzione di idrogeno verde - 10 milioni di tonnellate all'anno entro il 2030 - ma non ha ancora deciso quali metodi si qualificheranno come "verdi". Ciò rende difficile per le aziende impegnarsi nei grandi progetti di produzione di idrogeno che aumenterebbero gli ordini di elettrolizzatori.
"Ho paura che le quote di mercato nel settore degli elettrolizzatori vengano portate via dall'Europa e spedite in altre aree geografiche", ha affermato Jorgo Chatzimarkakis, amministratore delegato del gruppo di lobbying Hydrogen Europe con sede a Bruxelles.
Nel frattempo, molti analisti si aspettano che l'efficienza degli elettrolizzatori cinesi migliori, erodendo ogni vantaggio tecnologico che ora hanno le aziende statunitensi ed europee.
"Non ho dubbi che la Cina stia lavorando a elettrolizzatori migliori", ha affermato Bridget van Dorsten, analista senior dell'idrogeno presso la società di ricerca e consulenza Wood Mackenzie. "Il giorno in cui la Cina deciderà di non essere più un ritardatario è il giorno in cui non lo sarà più un ritardatario.
E alcune aziende cinesi hanno un vantaggio. I produttori di apparecchiature chimiche hanno realizzato elettrolizzatori per anni, installando sistemi di elettrolisi dell'acqua su larga scala per varie industrie manifatturiere come la produzione di polisilicio per celle solari.
Gli elettrolizzatori usano l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, e le loro versioni sono sul mercato dagli anni '20. Molti paesi ora vedono l'idrogeno come la migliore scommessa per la decarbonizzazione delle industrie che non possono funzionare facilmente con l'elettricità. Se l'energia di un elettrolizzatore proviene da un impianto solare o eolico o da un reattore nucleare, anche il processo di produzione dell'idrogeno è privo di carbonio.
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| Un elettrolizzatore all'interno di un impianto di idrogeno in una miniera di platino a Mogalakwena, in Sudafrica | BLOOMBERG |
I dispositivi sono disponibili in diverse varietà, ognuna con i suoi pro e contro. Le aziende cinesi producono principalmente elettrolizzatori "alcalini" che hanno bassi costi iniziali ma richiedono più elettricità rispetto alle tecnologie concorrenti per produrre ogni chilogrammo di idrogeno. Le aziende statunitensi ed europee si concentrano su elettrolizzatori "a ossido solido" e "membrana a scambio protonico" (PEM) che hanno un costo iniziale più elevato ma richiedono meno elettricità: un grande punto di forza nei luoghi in cui l'elettricità è costosa.
I produttori cinesi, tuttavia, stanno sviluppando elettrolizzatori PEM e perfezionando i loro prodotti alcalini. E stanno guardando i mercati esteri per la crescita.
Longi Green Energy Technology Co., con sede a Xi'an, il più grande produttore mondiale di apparecchiature solari, ha creato un'unità a idrogeno nel marzo 2021 e ha già costruito 1,5 gigawatt di capacità di produzione di elettrolizzatori in Cina. Sta sviluppando PEM ma prevede che gli elettrolizzatori alcalini domineranno il settore per i prossimi cinque anni, ha affermato Wang Yingge, vicepresidente di Longi Hydrogen. Entro tre anni, la società prevede che i mercati esteri costituiranno più della metà delle sue vendite, ha affermato.
Mentre l'elettrolizzatore è essenziale per l'idrogeno verde quanto la cella solare lo è per l'energia solare, ci sono differenze fondamentali.
I pannelli solari sono essenzialmente una tecnologia standard. Che siano montati su un tetto o assemblati in un gigantesco array nel deserto, i pannelli e i sistemi ad essi collegati non variano molto. Questo non è il caso della produzione di idrogeno. Gli elettrolizzatori sono solo una parte di un impianto di produzione di idrogeno le cui dimensioni e progettazione saranno dettate dalla fonte di energia e dalle esigenze dei clienti. Plug Power Inc. sta costruendo una flotta di impianti di produzione di idrogeno verde negli Stati Uniti, e ognuno è unico, ha affermato l'amministratore delegato Andy Marsh.
"Lo stabilimento in Texas è diverso dallo stabilimento di New York, che è diverso dallo stabilimento in Georgia", ha detto. "È tutto molto locale". Plug, con sede a Latham, New York, produce e vende anche elettrolizzatori PEM.
Ci sono vantaggi nel realizzare elettrolizzatori all'interno del mercato a cui sono destinati. Il gruppo belga John Cockerill ha costituito una joint venture in Cina - Cockerill Jingli Hydrogen - per produrre elettrolizzatori per la Cina, piuttosto che per altri paesi. L'azienda sta inoltre investendo in due stabilimenti in Europa e potenzialmente negli Stati Uniti e in India.
L'attrezzatura è complessa e pesante e richiede una significativa personalizzazione in loco per ogni cliente, ha affermato Raphael Tilot, responsabile dell'idrogeno di Cockerill. "Trasportarlo dalla Cina ad altre parti del mondo non è così semplice", ha affermato. "Il livello di lavoro in loco per renderlo compatibile con il progetto del cliente è piuttosto significativo".
Mentre l'industria solare cinese ha goduto per anni di generosi sussidi da parte del governo centrale, che hanno aiutato i produttori di apparecchiature a dominare la catena di approvvigionamento globale, l'idrogeno deve ancora vedere lo stesso livello di sostegno politico. Il paese ha introdotto il suo primo piano a livello statale per lo sviluppo dell'idrogeno all'inizio dello scorso anno, ma si è astenuto dall'istituire politiche di sostegno finanziario come sussidi, schiacciando le speranze dei produttori di apparecchiature.
Nel frattempo Roeland Baan, amministratore delegato della danese Topsoe A/S, ha affermato che il sistema di incentivi americano è ora più facile da navigare rispetto a quello dell'UE. La sua azienda sta sviluppando una fabbrica da 500 megawatt per produrre elettrolizzatori a ossido solido, che funzionano a temperature elevate e sono più efficienti di quelli alcalini o PEM. "Abbiamo deciso di mettere il nostro impianto in Danimarca", ha detto Baan. "Per il secondo impianto, dovremo vedere. Potrebbe essere sicuramente negli Stati Uniti"
I produttori cinesi, tuttavia, stanno sviluppando elettrolizzatori PEM e perfezionando i loro prodotti alcalini. E stanno guardando i mercati esteri per la crescita.
Longi Green Energy Technology Co., con sede a Xi'an, il più grande produttore mondiale di apparecchiature solari, ha creato un'unità a idrogeno nel marzo 2021 e ha già costruito 1,5 gigawatt di capacità di produzione di elettrolizzatori in Cina. Sta sviluppando PEM ma prevede che gli elettrolizzatori alcalini domineranno il settore per i prossimi cinque anni, ha affermato Wang Yingge, vicepresidente di Longi Hydrogen. Entro tre anni, la società prevede che i mercati esteri costituiranno più della metà delle sue vendite, ha affermato.
"L'Europa e gli Stati Uniti hanno le politiche di incentivazione più proattive per l'industria dell'idrogeno, mentre il Medio Oriente e l'Africa hanno l'energia rinnovabile su larga scala e più economica", ha affermato Wang. "I progetti di idrogeno verde in queste regioni hanno una buona redditività".Nel frattempo, il PERIC di proprietà statale ha ricevuto ordini nel 2022 da sette paesi stranieri, tra cui Australia , Stati Uniti e Corea. Shandong Saikesaisi Hydrogen Energy, uno dei pochi produttori cinesi specializzati in PEM, ottiene ora circa il 10-15% delle sue vendite dall'estero, ha affermato Huang Fang, direttore di progetto dell'azienda. Mira a migliorare quella percentuale tra la domanda da Europa e Australia, ha detto Huang.
Mentre l'elettrolizzatore è essenziale per l'idrogeno verde quanto la cella solare lo è per l'energia solare, ci sono differenze fondamentali.
I pannelli solari sono essenzialmente una tecnologia standard. Che siano montati su un tetto o assemblati in un gigantesco array nel deserto, i pannelli e i sistemi ad essi collegati non variano molto. Questo non è il caso della produzione di idrogeno. Gli elettrolizzatori sono solo una parte di un impianto di produzione di idrogeno le cui dimensioni e progettazione saranno dettate dalla fonte di energia e dalle esigenze dei clienti. Plug Power Inc. sta costruendo una flotta di impianti di produzione di idrogeno verde negli Stati Uniti, e ognuno è unico, ha affermato l'amministratore delegato Andy Marsh.
"Lo stabilimento in Texas è diverso dallo stabilimento di New York, che è diverso dallo stabilimento in Georgia", ha detto. "È tutto molto locale". Plug, con sede a Latham, New York, produce e vende anche elettrolizzatori PEM.
Ci sono vantaggi nel realizzare elettrolizzatori all'interno del mercato a cui sono destinati. Il gruppo belga John Cockerill ha costituito una joint venture in Cina - Cockerill Jingli Hydrogen - per produrre elettrolizzatori per la Cina, piuttosto che per altri paesi. L'azienda sta inoltre investendo in due stabilimenti in Europa e potenzialmente negli Stati Uniti e in India.
L'attrezzatura è complessa e pesante e richiede una significativa personalizzazione in loco per ogni cliente, ha affermato Raphael Tilot, responsabile dell'idrogeno di Cockerill. "Trasportarlo dalla Cina ad altre parti del mondo non è così semplice", ha affermato. "Il livello di lavoro in loco per renderlo compatibile con il progetto del cliente è piuttosto significativo".
Mentre l'industria solare cinese ha goduto per anni di generosi sussidi da parte del governo centrale, che hanno aiutato i produttori di apparecchiature a dominare la catena di approvvigionamento globale, l'idrogeno deve ancora vedere lo stesso livello di sostegno politico. Il paese ha introdotto il suo primo piano a livello statale per lo sviluppo dell'idrogeno all'inizio dello scorso anno, ma si è astenuto dall'istituire politiche di sostegno finanziario come sussidi, schiacciando le speranze dei produttori di apparecchiature.
Nel frattempo Roeland Baan, amministratore delegato della danese Topsoe A/S, ha affermato che il sistema di incentivi americano è ora più facile da navigare rispetto a quello dell'UE. La sua azienda sta sviluppando una fabbrica da 500 megawatt per produrre elettrolizzatori a ossido solido, che funzionano a temperature elevate e sono più efficienti di quelli alcalini o PEM. "Abbiamo deciso di mettere il nostro impianto in Danimarca", ha detto Baan. "Per il secondo impianto, dovremo vedere. Potrebbe essere sicuramente negli Stati Uniti"
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Note di SD |
| Struttura della cella per le quattro principali tecnologie di elettrolisi |
Gli elettrolizzatori alcalini (Alkaline ELectrolyser, AEL) sono la tecnologia più sviluppata, in particolare per applicazioni stazionarie e/o continue, mentre le applicazioni che sfruttano produzione elettrica intermittente e richiedono funzionamento flessibile sono meno diffuse.
L’elettrolita è liquido, tipicamente una soluzione acquosa di KOH o NaOH, che circola tra due elettrodi in materiale metallico (generalmente leghe di Ni), trasferendo ioni OH- tra catodo e anodo, a temperature di 60-80°C. Un diaframma, permeabile all’elettrolita, impedisce il miscelamento di idrogeno e ossigeno che restano separati rispettivamente al lato catodico e anodico. I flussi di gas ed elettrolita uscenti da catodo e anodo vengono inviati a due separatori liquido-vapore, da cui l’elettrolita residuo viene ricircolato mentre i gas possono essere ulteriormente purificati ed inviata a impieghi esterni.
L’elettrolisi alcalina conta numerose installazioni in ambito industriale, con potenze da medio-piccole fino all’ordine delle decine di MW, spaziando dall’industria della lavorazione dei metalli a casi di produzione di idrogeno su grande scala in ambito chimico o con uso di energia idroelettrica su impianti ad acqua fluente.
Tra i principali costruttori si trovano ad esempio NEL Hydrogen (Norvegia) e Thyssenkrupp (Germania) che opera in collaborazione con De Nora (Italia), Cummins-Hydrogenics (USA/Canada), McPhy (Francia), ErreDue (Italia).
Elettrolisi a bassa temperatura: cella a membrana a scambio protonico
Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (Proton Exchange Membrane ELectrolyser, PEMEL) sono anch’essi disponibili commercialmente, benché a uno stadio di industrializzazione e sperimentazione su scala meno ampia degli elettrolizzatori alcalini.
Si basano su un elettrolita costituito da una membrana polimerica che in presenza d’acqua consente il trasferimento di protoni (ioni H+), garantendo una presenza quasi nulla di ossigeno nel flusso di idrogeno prodotto, alloggiato tra elettrodi metallici. Il funzionamento è a temperature di 50-70°C e la struttura che ne risulta consente di sviluppare stack estremamente compatti grazie al ridotto spessore e al funzionamento ad alta densità di corrente e media-alta pressione, con vantaggi di rapida risposta ai transitori di potenza elettrica in ingresso. Una criticità di questa tecnologia è la necessità di materiali preziosi come catalizzatori (Pt, Ir), motivo per cui gran parte della ricerca in corso è indirizzata alla riduzione ed ottimizzazione delle quantità di catalizzatore richieste oltre che alla loro piena riciclabilità.
La tecnologia, sviluppata fin dagli anni ’60 per le missioni Gemini della NASA, ha accelerato la sua evoluzione nell’ultima decade, anche grazie al progresso delle corrispondenti fuel cell PEM nel settore trasporti, che utilizzano componenti simili. Tra i principali costruttori troviamo ad esempio ITM Power (UK), NEL Hydrogen (USA-Norvegia), Siemens (Germania), AREVA H2 Gen (Francia), Giner (USA), Cummins-Hydrogenics (USA/Canada), H-TEC (Germania).
Elettrolisi a bassa temperatura: celle a membrana a scambio anionico
Una terza tecnologia a bassa temperatura sono gli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEMEL). Benché meno noti e di sviluppo più recente, hanno recentemente mostrato ottimi progressi e vi sono diversi produttori a livello proto-commerciale. Operano a bassa temperatura (30-60°C) e possono unire i vantaggi dell’ambiente alcalino (assenza o forte limitazione della presenza di materiali nobili) e dell’elettrolita solido (membrane polimeriche capaci di trasferire selettivamente ioni OH-). Un vantaggio rispetto agli AEL è la riduzione della presenza di fluido corrosivo, mentre rispetto ai PEMEL si evidenziano costi inferiori per le membrane e per l’utilizzo di materiali meno costosi.
La tecnologia è tuttavia a uno stadio di sviluppo inferiore e meno omogeneo rispetto ad AEL e PEMEL. Tra i costruttori noti vi sono Enapter (Germania) ed EnStack (Italia).
Elettrolisi ad alta temperatura: celle ad ossidi solidi
Gli elettrolizzatori ad ossidi solidi (SOEL, Solid Oxide ELectrolysis) producono idrogeno a partire da acqua in forma di vapore e si trovano attualmente a un livello di sviluppo pre-commerciale. Operano a temperature elevate (600-900°C), con impiego di elettroliti ceramici ad ossidi solidi a scambio ossigeno. Punto di forza di questi dispositivi sono i rendimenti elettrici più elevati, superiori all’80% ed anche >90-95% a seconda delle opzioni di integrazione termica, realizzabile ad esempio in processi industriali che comprendono sezioni ad alta temperatura (es. produzione di acciaio, raffinerie), su cui sono infatti in corso progetti rilevanti finanziati da programmi di ricerca quali Horizon2020 in Europa e H2@Scale in USA. Sono di contro caratterizzati da una limitata flessibilità operativa, non compatibile con frequenti on/off a causa delle alte temperature, che comportano elevata inerzia e richiedono lenti transitori termici per non compromettere i materiali. Allo stato attuale, i costi d’investimento sono ancora elevati, sia pure con prospettive di forte calo al crescere dei volumi produttivi, e la vita utile dimostrata (dell’ordine delle 20-30.000 h) presenta ancora necessità di miglioramento.
Gli elettrolizzatori ad ossidi solidi utilizzano i medesimi materiali delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), tanto che un altro punto di forza è la possibilità di funzionare in modo completamente reversibile, alternativamente come fuel cell, producendo elettricità e consumando idrogeno, e come produttori di idrogeno consumando elettricità, con potenzialità molto interessanti per applicazioni di accumulo energetico. Possono, inoltre, operare con fluidi diversi dall’acqua, ad esempio con CO2 per la produzione di gas sintetici, con la capacità di integrarsi utilmente in numerosi processi chimici.
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