Elettrolisi: la tecnologia che trasforma l’elettricità in idrogeno

Per trasformare l’elettricità in idrogeno si utilizza l’elettrolisi.

In particolare, l’elettrolisi è un processo di trasformazione chimica mediante l’apporto di energia elettrica.

Come funziona l’elettrolisi dell’idrogeno

L’elettrolisi dell’acqua comporta la rottura della molecola dell’acqua per formare 2 moli di Idrogeno e una di Ossigeno allo stato gassoso.

                                                    2H₂O_(aq) → 2H_2(g) + O_2(g)

L’acqua in ingresso viene demineralizzata a monte del sistema di elettrolisi.

Ciò avviene tramite l’osmosi inversa e la raccolta in un tank, che funge da riserva per alimentare l’elettrolizzatore.

Quest’ultimo è un apposito dispositivo che permette di effettuare l’elettrolisi. In media un elettrolizzatore ha un’efficienza di 5 kWh/Nm3.

Il principio fisico di una cella elettrolitica è uguale per qualsiasi tecnologia:

• L’acqua viene pompata sulla superficie di un elettrodo
• Grazie all’apporto di energia elettrica la molecola viene divisa in ioni ed elettroni
• Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno, mentre gli ioni attraverso l’elettrolita
• Sull’elettrodo opposto avviene una nuova reazione per la formazione della sostanza riducente

Analizziamo ora le differenze tra le tecnologie di elettrolisi attualmente disponibili.

Le diverse tecnologie di elettrolisi

Esistono quattro principali tecnologie di elettrolisi:

• AEL (Alkaline Electrolyser), con elettrolizzatori alcalini
• PEM (Proton Exchange Membrane) con membrana a scambio protonico
• AEM (Anion Exchange Membrane) con membrana a scambio anionico
• SOEL (Solid Oxide Electrolyser), con elettrolizzatori agli ossidi solidi

Vediamo più in dettaglio quali sono i vantaggi e gli svantaggi di queste tecnologie.

La tecnologia alcalina

Nell’elettrolisi con elettrolizzatori alcalini (Alkaline ELectrolyser, AEL) l’elettrolita utilizzato è una soluzione acquosa di idrossido solitamente di potassio.

Questa tecnologia presenta quattro principali vantaggi:

• Buona efficienza, 55-65% (on LHV)
• Non utilizza metalli nobili (ciò consente minori costi di produzione e un prezzo di vendita dell’elettrolizzatore più basso)
• Materiali economici
• Vita utile alta
• Tecnologia consolidata e affidabile

Tuttavia, la tecnologia alcalina comporta anche alcuni svantaggi:

• densità di corrente bassa (0,5 A/cm2), con dimensioni maggiori dell’impianto a parità di idrogeno prodotto rispetto ad un’altra tecnologia
• Mancanza di membrana, possibilità di crossover dei gas, ottenendo una purezza dell’idrogeno limitata
• Carico parziale limitato (40%-100% max), con efficienze troppo basse e bassa reattività, per cui non si presta all’accoppiamento con le fonti rinnovabili
• Pressioni operative limitate dall’elettrolita liquido; la maggiore pressione favorisce i fenomeni di crossover

La tecnologia PEM

L’elettrolisi con elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM) utilizza al posto di un elettrolita una membrana polimerica.

I vantaggi di questa tecnologia sono:

• Alta efficienza: 60 – 70 % (on LHV)
• Buon trasporto di massa, con efficienze maggiori grazie all’elettrolita solido
• Alta densità di corrente, con una produzione di idrogeno maggiore a parità di superficie impiegata
• Alta qualità dell’idrogeno grazie alla membrana solida che impedisce il crossover
• Possibilità di lavorare a carichi parziali (20%-100%) e con alta reattività, rendendo più facile l’accoppiamento con le rinnovabili
• Permette di lavorare a pressioni elevate

Tuttavia, questa tecnologia presenta due svantaggi:

• Moderato coefficiente di degradazione
• Alto costo di investimento
• Utilizzo di metalli rari come platino e iridio, la cui estrazione ha ancora un alto impatto ambientale
• Bassa riciclabilità dei componenti

La tecnologia AEM

L’elettrolisi con elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEM) utilizza come elettrolita una soluzione acquosa di idrossido di potassio più una membrana polimerica.

Questo tipo di elettrolisi offre i seguenti vantaggi:

• Buona efficienza: 50%-70% (on LHV)
• Elettrolita meno corrosivo rispetto alla tecnologia alcalina
• Non utilizza metalli nobili: ciò consente minori costi di produzione, un prezzo più accessibile e minor impatto ambientale
• Minore acidità della soluzione elettrolitica
• Possibilità di lavorare a carichi parziali (20%-100% o intervalli maggiori) con alta reattività, ottimi accoppiati con le rinnovabili
• Possibilità di lavorare ad alte pressioni e con buona purezza

Di contro, presenta anche alcuni svantaggi:

• Densità di corrente bassa (1 A/cm2 ), con dimensioni e costi maggiori a parità di idrogeno prodotto rispetto ad un’altra tecnologia
• Tecnologia molto innovativa ma poco sviluppata, poche applicazioni su larga scala
• Alto coefficiente di degradazione delle celle

La tecnologia SOEL

L’elettrolisi con elettrolizzatori ad ossidi solidi (SOEL) utilizza come elettrolita degli elettroliti ceramici solidi.

Questo tipo di elettrolisi offre i seguenti vantaggi:

• Altissime efficienze (80%-90% on LHV)
• Possibilità di lavorare anche a funzione inversa, come fuel cell
• Possibilità di lavorare anche con fluidi diversi dall’acqua

Di contro, presenta anche alcuni svantaggi:

• Operazioni ad alte temperature (600-900 °C)
• Poca flessibilità sulle variazioni di carico
• Vita utile breve
• Applicazioni principalmente a livello accademico, anche se iniziano ad esserci le prime installazioni commerciali
• Costi ancora molto elevati ma con prospettive di forte calo nei prossimi anni

Perché si usa l’elettrolisi per la produzione dell’idrogeno

Come appena spiegato, l’elettrolisi è il processo elettrochimico utilizzato per la produzione di idrogeno dall’acqua.

Questa tecnologia consente di azzerare qualsiasi tipo di emissione, a condizione che l’energia fornita al sistema provenga da fonti rinnovabili.

Esistono molte applicazioni che non possono essere elettrificate e che richiedono necessariamente l’utilizzo di un combustibile.

Per questo motivo, la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi è fondamentale per raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni inquinanti fissati dall’Unione Europea.

Infatti, l’idrogeno prodotto tramite elettrolisi è l’unico combustibile che non genera alcuna sostanza inquinante, qualsiasi sia il modo in cui viene utilizzato.

Noi di Simplifhy proponiamo una serie di prodotti in grado di produrre idrogeno per mezzo dell’elettrolisi.

Contattaci per maggiori informazioni.