Produzione di idrogeno dall'acqua mediante elettrolisi di ossidi solidi

Produzione di idrogeno dall'acqua mediante elettrolisi di ossidi solidi

La cella di elettrolisi a ossido solido (SOEC) è una tecnologia di elettrolisi dell'acqua ad alta temperatura che utilizza YSZ e altri materiali come elettroliti per produrre idrogeno attraverso reazioni anodiche e catodiche. Presenta i vantaggi di un basso consumo energetico e di un'elevata efficienza ed è adatto per il recupero del calore di scarto, ma deve affrontare sfide elevate in termini di costi e stabilità.

L'elettrolisi dell'acqua con ossido solido per produrre idrogeno è una tecnologia di elettrolisi dell'acqua ad alta temperatura. Dal principio tecnico, le SOEC possono essere suddivise in SOEC a conduzione di ioni di ossigeno e SOEC a conduzione di protoni.

(Principio di funzionamento SOEC della conduzione di ioni di ossigeno)

(Principio di funzionamento della SOEC a conduzione protonica)

La SOEC che conduce ioni di ossigeno utilizza ossido solido come elettrolita e le seguenti reazioni chimiche si verificano rispettivamente all'anodo e al catodo:
Anodo: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Catodo: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

I componenti principali del SOEC includono un elettrolita denso e un elettrodo poroso, dove l'elettrolita è solitamente materiale di zirconio stabilizzato con ittrio (YSZ). A temperature elevate comprese tra 600 e 1000°C, YSZ ha un'eccellente conduttività ionica e stabilità termochimica, che lo rendono il materiale elettrolitico preferito per SOEC.

Oltre all'YSZ, anche altri materiali sono ampiamente utilizzati negli elettroliti SOEC. Ad esempio, la zirconia stabilizzata scandia (ScSZ) e gli elettroliti a base di ossido di cerio, questi materiali mostrano anche buone prestazioni in determinate condizioni. Inoltre, gli elettroliti a base di gallato di lantanio stanno gradualmente guadagnando attenzione e l'applicazione di questi materiali offre una varietà di scelte per gli elettroliti SOEC.

In termini di materiali degli elettrodi, gli elettrodi a idrogeno utilizzano solitamente compositi metallo-ceramici Ni-YSZ, che non solo hanno una buona conduttività, ma forniscono anche un'attività catalitica sufficiente per promuovere la generazione di idrogeno. Gli elettrodi di ossigeno utilizzano principalmente compositi di gallato di lantanio drogato con stronzio (LSM) e YSZ, che possono catalizzare efficacemente la generazione di ossigeno e mantenere la stabilità alle alte temperature.

La struttura dell'ISCE è principalmente divisa in due tipologie: tubolare e piatta. Il SOEC tubolare è il primo tipo ad essere studiato. Il suo vantaggio principale è che non richiede materiali sigillanti aggiuntivi e il metodo di connessione è relativamente semplice. Tuttavia, il SOEC tubolare presenta anche degli svantaggi quali costi elevati e bassa densità di potenza. Al contrario, le SOEC piatte presentano i vantaggi di un’elevata densità di potenza e di un basso costo, per cui sono diventate un punto caldo nella ricerca attuale. Tuttavia, le SOEC piatte presentano grandi sfide in termini di sigillatura ed è necessario superare la stabilità dei materiali di tenuta in condizioni di alta temperatura.

La temperatura operativa della SOEC è solitamente compresa tra 600 e 1000 ℃ e l'entalpia del vapore acqueo ad alta temperatura è elevata, quindi la tensione di elettrolisi della SOEC può essere bassa fino a 1,3 V, mentre la tensione di elettrolisi dell'elettrolisi alcalina o del protone L'elettrolisi della membrana a scambio (PEM) è solitamente superiore a 1,8 V. Pertanto, l’SOEC presenta evidenti vantaggi in termini di consumo energetico. In condizioni di consumo energetico minimo, 3 kWh di elettricità possono produrre 1 metro cubo standard di idrogeno. Tuttavia, la SOEC richiede un consumo energetico aggiuntivo per produrre vapore acqueo ad alta temperatura, il che presenta vantaggi unici in alcuni scenari applicativi speciali, come la produzione di idrogeno nell’energia nucleare.

Sebbene l’SOEC presenti evidenti vantaggi in termini di consumo energetico ed efficienza, la sua elevata temperatura operativa comporta anche alcune sfide e problemi. Il primo è la questione dei costi. Il costo dei materiali e dei processi di produzione ad alta temperatura è elevato. Il secondo è il lungo tempo di avvio e spegnimento. Poiché la SOEC deve raggiungere una temperatura elevata per funzionare, il processo di avvio e arresto è relativamente lento. Inoltre, anche il ciclo vitale è una questione chiave che deve essere risolta. In condizioni operative ad alta temperatura, la stabilità e la durata del materiale si trovano ad affrontare sfide.

Al momento, la tecnologia di produzione dell’idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua con ossido solido è ancora in fase di dimostrazione e verifica e non è stata ancora realizzata in applicazioni commerciali su larga scala. Nonostante le numerose sfide, la tecnologia SOEC ha mostrato un grande potenziale in aree specifiche. Ad esempio, nell’utilizzo del calore di scarto delle centrali nucleari e nel recupero del calore di scarto industriale ad alta temperatura, la tecnologia SOEC può convertire efficacemente queste fonti di calore ad alta temperatura in idrogeno, ottenendo così un utilizzo e una conversione efficienti dell’energia.

In futuro, con il continuo progresso della scienza dei materiali e dei processi produttivi, si prevede che la tecnologia SOEC supererà gli attuali colli di bottiglia tecnici e raggiungerà una maggiore efficienza e costi inferiori. Ulteriori attività di ricerca e sviluppo si concentreranno sul miglioramento delle prestazioni degli elettroliti e dei materiali degli elettrodi, sull'estensione della durata delle apparecchiature e sull'ottimizzazione della progettazione complessiva e dei parametri operativi del sistema. Attraverso miglioramenti e innovazioni su molteplici aspetti, si prevede che la tecnologia SOEC occuperà una posizione importante nella futura economia dell’idrogeno e diventerà un mezzo importante per l’utilizzo dell’energia rinnovabile e la produzione di idrogeno.