Gli elettrolizzatori ad acqua rappresentano la tecnologia chiave per la scissione dell’acqua con energia elettrica rinnovabile per produrre idrogeno e ossigeno verdi.
Nel corso di diversi decenni, la tecnologia si è evoluta in quattro tipologie principali, ciascuna con vantaggi e svantaggi distinti.
Lo sviluppo dei materiali per le celle è stato fondamentale per questa evoluzione, migliorando l’efficienza e la durata di questi sistemi. I continui progressi nei materiali sono fondamentali per aumentare l’efficienza e ridurre il consumo energetico, il che a sua volta riduce i costi operativi degli impianti di idrogeno verde.
In questo articolo, IDTechEx esplora gli sviluppi chiave nei materiali per le celle in queste quattro principali tecnologie di elettrolizzatori.
Per un’analisi completa di questo panorama dei materiali in evoluzione, comprese previsioni di mercato dettagliate e i principali attori del settore, ulteriori dettagli sono disponibili nel rapporto IDTechEx “Materiali per la produzione di idrogeno verde 2026-2036: tecnologie, attori, previsioni”.
Questo rapporto tratta le innovazioni nelle tecnologie degli elettrolizzatori alcalini (AEL), a membrana a scambio protonico (PEMEL), a membrana a scambio anionico (AEMEL) e a ossidi solidi (SOEC).
Elettrolizzatore alcalino (AEL): innovazioni in elettrodi e diaframmi
Essendo la tecnologia di elettrolizzazione più consolidata, l’AEL beneficia di una progettazione e produzione di componenti consolidate. Tuttavia, innovazioni significative continuano a verificarsi, in particolare nei catalizzatori e nei diaframmi degli elettrodi.
Lo standard industriale per la maggior parte dei sistemi AEL sono gli elettrodi a base di nichel. I sistemi all’avanguardia utilizzano tipicamente:
- Catalizzatori catodici: leghe di nichel-molibdeno (Ni-Mo) o nichel-cobalto (Ni-Co) e nichel Raney.
- Catalizzatori anodici: idrossidi e ossidrossidi di nichel-ferro (Ni-Fe).
Per competere meglio con gli elettrolizzatori PEM in termini di efficienza, alcuni produttori potenziano questi elettrodi con metalli del gruppo del platino (PGM) e ossidi di terre rare. Ad esempio, il platino può essere aggiunto alla formulazione del catodo, mentre ossidi metallici misti contenenti rutenio o iridio possono essere utilizzati per gli anodi, come dimostrano i prodotti De Nora.
Oltre alla composizione del catalizzatore, l’innovazione sta avvenendo anche nei substrati e nella produzione degli elettrodi. Schiume e feltri di nichel vengono esplorati come alternative alle piastre e alle reti porose convenzionali.
Una tendenza importante è l’adozione di processi avanzati di rivestimento degli elettrodi. Jolt Solutions, ad esempio, ha sviluppato il processo Sparkfuze, che utilizza reazioni esotermiche per formare il catalizzatore dai precursori in uno o due soli cicli. Questo metodo è più rapido, più efficiente dal punto di vista energetico e meno costoso della tradizionale tecnica “coat-and-bake”, che richiede più fasi di rivestimento e di essiccazione ad alta temperatura.
Anche i diaframmi rappresentano un’area chiave di innovazione. Sebbene lo Zirfon (un composito zirconia-polisulfone) rimanga lo standard del settore, stanno emergendo nuovi metodi di produzione. Novamem, ad esempio, ha sviluppato un processo in cui le nanoparticelle vengono incorporate in un polimero e poi disciolte, lasciando una rete porosa altamente ottimizzata per il flusso dell’elettrolita.
Elettrolizzatore PEM (PEMEL): riduzione del contenuto di metalli preziosi e risoluzione dei problemi legati ai PFAS
Come seconda tecnologia più consolidata, l’elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEMEL) beneficia delle innovazioni nel campo correlato delle celle a combustibile PEM. Il suo elettrolita polimerico solido lo rende altamente reattivo e ideale per l’abbinamento con fonti rinnovabili intermittenti come l’eolico e il solare. Sebbene la progettazione dei componenti sia oggi relativamente standard, la ricerca e sviluppo è in continua evoluzione.
La catalisi nei PEMEL si basa su metalli preziosi: platino su carbonio al catodo e ossido di iridio all’anodo. Questi vengono tipicamente dispersi in un inchiostro catalitico con un legante ionomerico e rivestiti sulla membrana per creare una membrana rivestita da catalizzatore (CCM). Migliorare la produzione di CCM per ridurre al minimo gli scarti di metalli preziosi è un importante obiettivo di ricerca e sviluppo per aziende e istituti di ricerca.
Ridurre la quantità di iridio è fondamentale per la resilienza della catena di approvvigionamento a lungo termine. Si prevede che la crescente domanda di PEMEL metterà a dura prova il mercato globale dell’iridio, causando potenzialmente carenze. Per mitigare questo problema, produttori di catalizzatori come Heraeus stanno commercializzando alternative come gli ossidi misti di iridio-rutenio (Ir-Ru) e i catalizzatori all’iridio supportato, che offrono prestazioni simili con meno iridio. Tuttavia, l’obiettivo finale rimane lo sviluppo di catalizzatori completamente privi di iridio.
Le crescenti preoccupazioni relative alle potenziali normative sulle sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche (PFAS) stanno spingendo la ricerca e lo sviluppo verso membrane a scambio protonico a base di idrocarburi prive di PFAS. Aziende come Ionomr Innovations stanno sviluppando nuove formulazioni di membrane utilizzando materiali idrocarburici solfonati per il trasporto protonico.
Il rapporto di IDTechEx sulle membrane a scambio ionico fornisce una copertura dettagliata di questo mercato emergente. Una sfida fondamentale nella progettazione delle membrane è bilanciare la conduttività con la durata e la sicurezza. Le membrane più sottili migliorano la conduttività protonica, ma sono meno resistenti e più soggette al crossover dell’idrogeno.
Strategie chiave per gestire questo compromesso includono il rinforzo della membrana con materiali come ePTFE e PEEK, garantendo al contempo uno spessore sufficiente a garantire la sicurezza. Produttori affermati come Chemours, Gore, Syensqo e AGC stanno lavorando attivamente per risolvere queste sfide.
Elettrolizzatori AEM (AEMEL): bypassare i PFAS e sviluppare sistemi elettrodici ottimali
L’elettrolizzatore a membrana a scambio anionico (AEMEL) è una tecnologia ibrida emergente che mira a combinare i materiali a basso costo di AEL con la reattività di PEMEL.
Sebbene storicamente ostacolati dall’instabilità della membrana, diversi produttori, tra cui attori affermati come AGC e Fumatech e nuovi entranti come Versogen e Ionomr Innovations, stanno ora commercializzando membrane AEM stabili.
La maggior parte delle membrane AEM utilizza catene principali di idrocarburi (basate su polimeri come PBI e PAP) drogate con catene laterali di ammonio quaternario per trasportare ioni idrossido (OH−). Gli obiettivi principali di R&S sono l’ottimizzazione della conduttività e della stabilità a lungo termine, aumentando al contempo la produzione.
Un vantaggio chiave di questo approccio è la completa eliminazione dei materiali PFAS, possibile grazie alle condizioni operative meno gravose rispetto ai PEMEL.
Una scelta progettuale critica nell’AEMEL è la configurazione del catodo “umido” rispetto a quella “secco”, che determina la selezione dei componenti:
- Sistemi a catodo secco: il catodo non è alimentato con un elettrolita liquido. I componenti sono simili ai PEMEL, utilizzando strati di diffusione di gas di carbonio e un catalizzatore rivestito direttamente sulla membrana.
- Sistemi a catodo umido: l’elettrolita viene alimentato sia all’anodo che al catodo. Questo design utilizza strati di trasporto porosi a base di nichel su entrambi i lati, con catalizzatori rivestiti sugli strati di trasporto o sulla membrana.
Elettrolizzatori a ossidi solidi (SOEC): riduzione delle temperature e miglioramento del design delle celle
L’elettrolizzatore a ossidi solidi (SOEC) è una tecnologia emergente caratterizzata dalle sue elevate temperature di esercizio (600-900 °C). Questo funzionamento ad alta temperatura aumenta l’efficienza elettrica e consente l’utilizzo del calore di scarto industriale nel processo. La tecnologia SOEC ha beneficiato in modo significativo degli sviluppi paralleli nelle celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC).
I design SOEC convenzionali sono “a supporto di elettrodo” o “a supporto di elettrolita”, in cui uno strato garantisce l’integrità strutturale. Una tendenza chiave è il passaggio a celle “a supporto metallico”, in cui gli strati attivi sono rivestiti su un supporto poroso in acciaio inossidabile. Questo design, commercializzato da Ceres Power, consente strati di celle più sottili, garantendo al contempo la durabilità strutturale dell’acciaio inossidabile.
Un’altra tendenza significativa è la spinta verso temperature di esercizio più basse per ridurre il fabbisogno energetico. Ciò ha portato all’adozione di elettroliti alternativi come la ceria drogata con gadolinia (GDC), che può operare a 600 °C rispetto agli 800 °C necessari per la tradizionale zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ). Questo cambiamento richiede l’adattamento dei materiali degli elettrodi al nuovo elettrolita.
Topsoe è uno sviluppatore chiave che ha commercializzato con successo sistemi SOEC basati su questa tecnologia GDC a bassa temperatura.
Riepilogo e prospettive: un mercato dei componenti multimiliardario alimentato dall’innovazione continua
IDTechEx prevede che il mercato annuale dei componenti per elettrolizzatori d’acqua supererà i 10 miliardi di dollari entro il 2036. Questa crescita significativa è trainata dal previsto aumento della domanda di sistemi di elettrolisi, con l’aumento dello slancio e il raggiungimento della maturità commerciale dei progetti sull’idrogeno verde. Il settore degli elettrolizzatori ha una lunga storia di benefici derivanti dall’innovazione continua e questa tendenza è destinata a continuare.
Come illustra questo articolo, anche in settori dei componenti relativamente maturi, c’è ancora un ampio margine di miglioramento.
Fonte: IDTechEx
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