Impatto della qualità dell'acqua sul consumo energetico nella produzione di idrogeno elettrolitico PEM

La tecnologia di elettrolisi con membrana a scambio protonico (PEM) è diventata uno dei metodi più diffusi grazie alla sua elevata efficienza, all'elevata densità di corrente, all'ampia adattabilità alla temperatura e alla rapida velocità di risposta. Sebbene la maggior parte della ricerca si concentri sulla dimostrazione degli elettrolizzatori PEM, sullo sviluppo di nuovi catalizzatori o sul miglioramento delle membrane a scambio protonico, l'ottimizzazione del sistema e dell'acqua di alimentazione rimane una sfida critica. Pertanto, questo studio sottolinea l'impatto dei parametri di qualità dell'acqua, tra cui pH, solidi totali disciolti (TDS) e conducibilità, sul consumo energetico degli elettrolizzatori PEM per ottimizzare la produzione di idrogeno. Questi parametri sono spesso correlati e influenzano le prestazioni dell'elettrolisi.

Il principio di funzionamento di un Elettrolizzatore PEM comporta la decomposizione elettrochimica dell'acqua in idrogeno e ossigeno a livello degli elettrodi. Poiché l'acqua è il mezzo di reazione primario, la sua qualità influisce direttamente sull'efficienza dell'elettrolisi e sul consumo energetico. I fattori chiave per la qualità dell'acqua includono pH, TDS e conducibilità. Ad esempio, il pH può alterare il potenziale di reazione di riduzione dell'ossigeno, influenzando così il consumo energetico, ma livelli di pH estremi possono causare la degradazione della membrana. Una bassa conducibilità può contribuire a ridurre il consumo energetico, ma una conducibilità eccessivamente elevata può danneggiare la membrana. I TDS sono correlati alla conducibilità dell'acqua e possono causare problemi di incrostazione. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) raccomanda l'utilizzo di acqua deionizzata di Tipo I (carbonio organico totale) <50 ppb, resistività >1 MΩ·cm, sodio e cloro <5 µg/L). Tuttavia, le fonti d'acqua reali contengono spesso impurità, aumentando i costi di purificazione. Gli studi dimostrano che non viene prodotto idrogeno quando i TDS sono pari a zero, mentre livelli elevati di TDS (0-2000 ppm) contribuiscono ad aumentarne la produzione.

1. Impatto del pH sulla produzione di gas e sul consumo di energia

L'efficienza dell'elettrolisi dell'acqua PEM per la produzione di idrogeno (inclusa la produzione di gas e il consumo energetico) è strettamente correlata al pH dell'elettrolita. Il requisito fondamentale è che il pH rimanga entro l'"intervallo ottimale" progettato per il sistema di elettrolisi. Una deviazione da questo intervallo (troppo acido o troppo alcalino) ridurrà significativamente le prestazioni del sistema. Ambienti eccessivamente acidi o alcalini possono allontanare i catalizzatori dalle loro condizioni di lavoro ottimali, ridurne l'attività chimica o persino causare danni strutturali, con conseguente rallentamento della reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) e della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Inoltre, condizioni di pH estreme possono influenzare lo stato di idratazione e la stabilità chimica della membrana a scambio protonico (PEM), ostacolando l'efficiente trasporto di H⁺ e causando "interruzioni di fornitura" dei reagenti. Un ambiente eccessivamente acido può corrodere gli elettrodi e portare alla formazione di depositi che ricoprono i siti attivi, mentre un ambiente eccessivamente alcalino può causare la precipitazione di impurità, non solo aumentando lo spreco di energia, ma anche inibendo ulteriormente la generazione di gas, con conseguente riduzione della produzione di gas.

2. Impatto dei solidi totali disciolti (TDS) sulla produzione di gas e sul consumo di energia

Il TDS si riferisce alla concentrazione totale di sostanze inorganiche e organiche disciolte in acqua ed è un indicatore chiave per la valutazione della qualità dell'acqua. La produzione di gas aumenta con concentrazioni di TDS più elevate, poiché livelli elevati di TDS possono agire da catalizzatore per promuovere la formazione di idrogeno. Al contrario, bassi livelli di TDS comportano una produzione limitata di gas e non si produce idrogeno quando il TDS è pari a zero.

I TDS hanno un impatto significativo sul consumo energetico. Un TDS elevato aumenta la conduttività dell'acqua, ma aumenta anche la tensione dell'elettrolizzatore, con conseguente aumento del consumo energetico. Allo stesso tempo, i TDS possono causare incrostazioni su elettrodi o membrane, riducendone l'efficienza. Per mitigare questi effetti, si raccomandano tecnologie di trattamento dell'acqua (come l'osmosi inversa o la deionizzazione) per ridurre i TDS e ottimizzare il consumo energetico.

3. Impatto della conduttività sulla produzione di gas

La conduttività è un altro parametro importante che riflette la concentrazione di ioni nell'acqua. Un'elevata conduttività può ridurre la sovratensione della reazione di riduzione dell'ossigeno anodico (OER), diminuendo il fabbisogno energetico. Tuttavia, una conduttività eccessivamente elevata aumenta il rischio di deterioramento della membrana e il consumo di energia per il pompaggio.

4. Impatto delle diverse qualità dell'acqua sul consumo energetico

Confronto degli effetti dell'acqua di mare, dell'acqua di pozzo e dell'acqua deionizzata sugli elettrolizzatori PEM:

• Acqua di mare: l'elevata concentrazione di sali e minerali disciolti aumenta la conduttività, ma aumenta anche la resistenza, richiedendo una tensione più elevata e comportando un maggiore consumo di energia.

• Acqua di pozzo: un minor numero di sostanze disciolte comporta generalmente un consumo energetico inferiore rispetto all'acqua di mare, ma l'incertezza nella composizione minerale pone delle sfide.

• Acqua deionizzata: la bassa conduttività riduce la resistenza e migliora l'efficienza energetica, ma la mancanza di ioni necessari richiede un uso cauto in base alla progettazione del sistema.

5. Importanza della gestione della qualità dell'acqua

L'elettrolisi dell'acqua PEM si concentra spesso sull'elettrolizzatore stesso, ma i sistemi ausiliari (BOP), in particolare la gestione dell'acqua di alimentazione, sono altrettanto critici. L'ottimizzazione dei parametri di qualità dell'acqua (pH, TDS, conducibilità) non solo migliora l'efficienza e la produzione di gas, ma prolunga anche la durata delle apparecchiature. Sebbene il BOP per i sistemi PEM sia più semplice di quello dei sistemi alcalini, il controllo della qualità dell'acqua pura rimane un fattore chiave per ottenere un funzionamento efficiente e stabile.