Tecnologia di produzione di idrogeno ad alta efficienza - Cella elettrolitica a ossido solido ad alta temperatura

La cella elettrolitica a ossidi solidi ad alta temperatura (SOEC) è un dispositivo di conversione dell'energia altamente efficiente, rapido e flessibile. Introducendo diverse materie prime, può produrre vari prodotti, consentendo lo sviluppo di sintetizzatori elettrochimici multifunzionali. Può essere collegata a fonti di energia pulita, come la generazione di energia eolica e fotovoltaica. La sua applicazione più comune è l'elettrolisi del vapore per la produzione di idrogeno. Rispetto alle principali tecnologie di elettrolisi dell'acqua come quella alcalina (ALK) e Membrana a scambio protonico (PEM), la SOEC offre diversi vantaggi: maggiore efficienza (fino all'85%), reversibilità e capacità di utilizzare il calore di scarto di alta qualità dai prodotti generati. La cella elettrolitica a ossidi solidi (SOEC) converte l'energia elettrica e termica in energia chimica. In linea di principio, la SOEC funziona come il processo inverso di una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC). Come mostrato in Figura 1, la SOEC è costituita da uno strato di elettrolita denso al centro, elettrodi porosi su entrambi i lati e canali per il gas all'esterno degli elettrodi per l'alimentazione dei gas reagenti e la rimozione dei gas prodotti, consentendo un trasporto e una distribuzione efficienti del gas. Quando una tensione continua (CC) viene applicata agli elettrodi ad alte temperature (600-900 °C), le molecole di vapore acqueo (H₂O) vengono scisse al catodo in protoni (H⁺) e ioni ossigeno (O²⁻). Gli ioni O²⁻ migrano attraverso lo strato di elettrolita di ossido solido fino all'anodo, dove rilasciano elettroni (e⁻) e formano molecole di ossigeno (O₂).

Gli elettroni vengono condotti tramite l'interconnessione al catodo, dove si combinano con H⁺ per formare molecole di idrogeno (H₂). La produzione di idrogeno tramite SOEC, ovvero la produzione di idrogeno tramite celle di elettrolisi a ossidi solidi, è un processo che sfrutta la conduttività ionica delle membrane elettrolitiche a ossidi solidi per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno ad alte temperature. I prodotti possono essere ampiamente applicati in settori come acciaierie, impianti chimici e aerospaziale. SOEC può anche essere integrato termicamente con una gamma di processi di sintesi chimica, consentendo il riciclo dell'anidride carbonica e dell'acqua catturate in gas naturale sintetico, benzina, metanolo o ammoniaca. Rispetto ad altre tecnologie di elettrolisi dell'acqua, SOEC offre numerosi vantaggi, tra cui elevata efficienza, basso costo, capacità di co-elettrolisi, reversibilità e idoneità a diversi scenari. Operando ad alte temperature (600–900 °C), SOEC beneficia di una cinetica favorevole, con conseguente elevata efficienza di elettrolisi. L'elevata temperatura di esercizio riduce il consumo di energia elettrica, con un'efficienza complessiva del sistema per la produzione di idrogeno che raggiunge circa l'85%. Ciò rappresenta circa 1,5 volte l'efficienza del sistema di elettrolisi PEM e il doppio dell'efficienza totale di elettrolisi dell'acqua alcalinaIn termini di applicazioni, le condizioni operative ad alta temperatura del SOEC lo rendono altamente compatibile con scenari che comportano un significativo calore di scarto, come gli impianti chimici a carbone, la metallurgia dell'acciaio, la sintesi dell'ammoniaca e le centrali nucleari. L'integrazione del calore di scarto nel funzionamento del SOEC può integrare il consumo di energia elettrica, migliorando l'efficienza elettrica e riducendo i costi operativi. Inoltre, una caratteristica distintiva del SOEC rispetto ad altre tecnologie è la sua reversibilità: può passare in modo flessibile dalla modalità di elettrolisi (SOEC) alla modalità a cella a combustibile (SOFC).

Le SOEC possono produrre idrogeno o syngas per l'accumulo di energia in modalità elettrolisi o convertire l'energia chimica in elettricità in modalità cella a combustibile, creando un sistema sinergico per la produzione, l'accumulo e la generazione di energia elettrica ("elettricità-idrogeno-elettricità"). Ciò conferisce un potenziale significativo per l'accumulo di energia rinnovabile e la riduzione dei picchi di rete, contribuendo a un utilizzo e a un bilanciamento efficaci dell'energia. Nel complesso, con i continui progressi tecnologici e la graduale maturazione del mercato, si prevede che la produzione di idrogeno dalle SOEC svolgerà un ruolo fondamentale nel futuro panorama energetico, contribuendo al raggiungimento degli obiettivi globali di neutralità carbonica.