Panoramica della produzione di idrogeno PEM mediante elettrolisi dell'acqua I

Panoramica di Produzione di idrogeno PEM mediante elettrolisi dell'acqua I

L’idrogeno è un vettore energetico pulito e flessibile che può essere utilizzato per fornire elettricità e calore. I veicoli alimentati a idrogeno e la produzione di energia stazionaria sono tecnologie a emissioni zero. L’idrogeno può essere prodotto sia da combustibili fossili tradizionali che da fonti energetiche prive di carbonio, entrambe utilizzate per immagazzinare energia e fornire una gestione reattiva della rete.

Attualmente solo il 4% dell’idrogeno viene prodotto mediante elettrolisi, principalmente utilizzando metodi di preparazione a basso costo come il reforming del gas naturale o il gas di raffineria. Tuttavia, in futuro, le fonti energetiche rinnovabili (FER) rappresenteranno una parte significativa dell’elettricità prodotta. L’elettrolisi è considerata il modo più pulito per produrre idrogeno utilizzando energia rinnovabile.

Un’applicazione emergente per gli elettrolizzatori è nel settore “power to gas”. L'idrogeno prodotto dagli elettrolizzatori collegati alle FER viene immesso nella rete del gas. Questo approccio consente di utilizzare i gasdotti come grandi “serbatoi di stoccaggio” ed evita di costruire nuove infrastrutture. La quantità di idrogeno iniettato dipende dalle normative di ciascun paese. Questo problema può essere risolto con la metanazione, dove l’idrogeno e il monossido/diossido di carbonio vengono convertiti in metano sostenibile. L’idrogeno immagazzinato nell’infrastruttura del gas naturale può essere utilizzato per il riscaldamento, i trasporti o riconvertito in elettricità. Un'altra applicazione degli elettrolizzatori sono le stazioni di rifornimento con produzione di idrogeno in loco.

I principali vantaggi dell'elettrolisi PEM rispetto all'elettrolisi alcalina sono una maggiore sicurezza e affidabilità, poiché non viene utilizzato alcun elettrolita corrosivo. Inoltre, la possibilità di operare con elevate differenze di pressione attraverso la membrana evita la compressione dell'ossigeno. Grazie alle membrane solide e sottili, l'elettrolisi PEM ha un trasporto di ioni più veloce rispetto all'elettrolisi alcalina. Gli elettroliti liquidi hanno una maggiore inerzia in termini di trasporto ionico. Gli elettrolizzatori alcalini reagiscono lentamente quando l'elettrolizzatore viene utilizzato in condizioni fluttuanti e hanno difficoltà ad avviarsi dopo lo spegnimento. Inoltre, la tecnologia può funzionare a densità di corrente più elevate rispetto agli elettrolizzatori alcalini.

Catalizzatore
I materiali nobili costosi vengono solitamente utilizzati come elettrocatalizzatori nell'elettrolisi PEM. I materiali più comunemente utilizzati sono il palladio o il platino al catodo per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) e l'iridio o l'ossido di rutenio all'anodo per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). L'IrO2 mostra una maggiore resistenza alla corrosione rispetto all'RuO2, ma mostra una scarsa attività OER. RuO2 funziona bene nell'intervallo di bassa sovratensione, ma problemi di stabilità ostacolano le applicazioni pratiche. La stabilità di RuO2 può essere leggermente migliorata utilizzando soluzioni solide binarie IrO2–RuO2. L'uso di IrO2 di piccole dimensioni (2–3 nm) può ridurre il carico di metalli nobili mantenendo prestazioni simili. Conduttività, attività elettrocatalitica e stabilità sono aspetti impegnativi dei catalizzatori di metalli non nobili.

Membrana a scambio protonico
Nell'elettrolisi PEM, le membrane di acido perfluorosolfonico (PFSA) vengono utilizzate come elettroliti solidi. Proprietà importanti delle membrane dell'elettrolizzatore PEM sono il basso crossover, la capacità di lavorare a temperature elevate (>100°C) e l'elevata resistenza meccanica. Il crossover in PEMWE può danneggiare la membrana e portare al guasto dello stack. La reazione tra idrogeno e ossigeno è molto esotermica e provoca un riscaldamento locale, che nel tempo può danneggiare la membrana. Questo problema è particolarmente importante quando l'elettrolizzatore funziona ad alta pressione (fino a 350 bar). La possibilità di funzionamento ad alta pressione permette di ridurre l'energia meccanica necessaria per la pressurizzazione del gas.

In queste applicazioni è necessario un basso livello di crossover e richiede uno spessore appropriato del film polimerico. Un'altra importante proprietà meccanica dei film polimerici è la resistenza allo strappo. Infatti, durante il processo di assemblaggio dello stack, si generano grandi sollecitazioni, soprattutto tra i bordi degli elettrodi e le guarnizioni. Buone proprietà di trazione e bassa resistenza alla propagazione dello strappo sono proprietà chiave delle membrane polimeriche negli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico. Tipicamente, le membrane composite o rinforzate vengono utilizzate per funzionare a pressioni e temperature elevate. Gli elettrolizzatori PEM funzionano a temperature elevate (>100°C), il che riduce la variazione di energia libera di Gibb e migliora la cinetica di reazione. Inoltre, il loro basso costo li rende un’opzione reale e interessante Elettrolizzatori PEM.