Le principali differenze tra i sistemi di produzione di idrogeno alcalino e PEM

Con la transizione globale verso l'energia pulita, l'idrogeno, in particolare quello verde prodotto tramite elettrolisi dell'acqua, si è affermato come vettore energetico cruciale. Due tecnologie leader di elettrolisi dominano il mercato: i sistemi alcalini e a membrana a scambio protonico (PEM). Sebbene entrambi producano idrogeno scindendo l'acqua, differiscono significativamente in termini di progettazione, efficienza, costi e flessibilità operativa.

Analizziamo le principali differenze senza perderci in termini tecnici.

1. Meccanismo di reazione dell'elettrolita e del nucleo

Sistemi alcalini

Utilizzare un elettrolita alcalino liquido (tipicamente idrossido di potassio, KOH).

Gli ioni idrossido (OH⁻) trasportano la carica tra gli elettrodi.

Richiede un diaframma poroso per separare i gas idrogeno e ossigeno.

Sistemi PEM

Utilizzano come elettrolita una membrana polimerica solida (solitamente Nafion).

I protoni (H⁺) si muovono attraverso la membrana, rendendo la reazione più efficiente.

Nessun elettrolita liquido: solo acqua ultrapura e la membrana.

Perché è importante:

I sistemi PEM evitano le soluzioni alcaline corrosive, riducendo i rischi di manutenzione.

I sistemi alcalini sono più tolleranti alle impurità dell'acqua, ma necessitano di una sostituzione periodica dell'elettrolita.

2. Efficienza e condizioni operative

Sistemi alcalini

Efficienza inferiore (60-70%) a causa della maggiore resistenza elettrica negli elettroliti liquidi.

Funziona a densità di corrente inferiori (0,2–0,4 A/cm²).

Richiede tensioni di cella più elevate (1,8–2,4 V).

Sistemi PEM

Maggiore efficienza (70-80%) grazie alla più rapida conduzione protonica nella membrana.

Funziona a densità di corrente più elevate (1–2 A/cm²).

Funziona a tensioni più basse (1,6–2,0 V), risparmiando energia.

Perché è importante:

I sistemi PEM producono più idrogeno per kWh, il che li rende più adatti alle applicazioni di energia rinnovabile.

I sistemi alcalini sono meno efficienti ma più economici da realizzare, il che compensa i costi a lungo termine.

3. Risposta alla variabilità delle energie rinnovabili

Sistemi alcalini

Può regolare la potenza in ingresso tra il 40 e il 110% della capacità nominale.

Risposta più lenta alle rapide variazioni di carico (minuti per stabilizzarsi).

Sistemi PEM

Può aumentare/diminuire istantaneamente (la regolazione richiede pochi secondi).

Più adatto alle energie rinnovabili intermittenti (solare/eolica) grazie al funzionamento dinamico.

Perché è importante:

La tecnologia PEM è ideale per progetti ibridi rinnovabili-idrogeno in cui l'alimentazione elettrica è soggetta a fluttuazioni.

I sistemi alcalini sono più adatti per reti stabili o applicazioni industriali.

4. Costi e scalabilità

Sistemi alcalini

Costi iniziali ridotti (niente catalizzatori o membrane costosi).

Utilizza elettrodi a base di nichel, economici e durevoli.

Più facile da scalare per grandi impianti industriali (oltre 100 MW).

Sistemi PEM

Costi di capitale più elevati a causa dei catalizzatori in metalli preziosi (platino, iridio).

La degradazione della membrana può aumentare i costi di manutenzione a lungo termine.

Attualmente più adatto a progetti di piccola e media scala (1–50 MW).

Perché è importante:

Per una produzione di idrogeno su larga scala e a basso costo, la soluzione ideale è quella alcalina.

La tecnologia PEM è preferita per sistemi compatti e ad alta efficienza, in cui lo spazio e la reattività sono importanti.

5. Esigenze di purezza e manutenzione

Sistemi alcalini

Sostituzione periodica degli elettroliti e manutenzione del diaframma.

Sistemi PEM

Produce idrogeno di purezza più elevata (nessuna contaminazione da elettrolita liquido).

Meno parti mobili, ma il degrado della membrana può rappresentare un problema.

Perché è importante:

L'idrogeno PEM è spesso pronto all'uso per le celle a combustibile, senza bisogno di una purificazione approfondita.

I sistemi alcalini necessitano di passaggi aggiuntivi ma restano affidabili per la fornitura di gas industriale.

Quale dovresti scegliere?

Per l'idrogeno su larga scala e a basso costo: la tecnologia alcalina vince in termini di convenienza e scalabilità.

Per l'integrazione delle energie rinnovabili e una risposta rapida: PEM è la scelta ovvia.

Per idrogeno ad elevata purezza in mobilità/celle a combustibile: PEM elimina ulteriori passaggi di purificazione.

Prospettive future

Miglioramenti alcalini: diaframmi avanzati e rivestimenti degli elettrodi possono aumentare l'efficienza.

Riduzione dei costi PEM: la ricerca si concentra sulla sostituzione dei metalli preziosi con alternative più economiche.

Entrambe le tecnologie svolgeranno un ruolo cruciale nell'economia dell'idrogeno: quella alcalina per la produzione di massa, quella PEM per flessibilità ed efficienza.