Produrre idrogeno verde a costi inferiori

L’idrogeno può sostituire i combustibili fossili e rappresenta quindi un pilastro importante della transizione energetica. L’idea è semplice: l’elettricità proveniente da fonti rinnovabili e l’acqua producono idrogeno e ossigeno. Quando l’idrogeno viene bruciato, reagisce con l’ossigeno presente nell’atmosfera formando nuovamente acqua, chiudendo così il ciclo senza emissioni di gas serra.

Questo è però lo scenario ideale. Nella realtà, la produzione di idrogeno “verde” tramite elettrolisi deve affrontare una forte concorrenza. Oggi oltre il 90 per cento dell’idrogeno viene ancora prodotto da fonti fossili, soprattutto dal gas naturale. Il motivo principale è semplice: l’idrogeno sostenibile ottenuto tramite elettrolisi costa circa il doppio rispetto alla produzione convenzionale.

Nell’ambito di un progetto sostenuto dal Fondo nazionale svizzero (FNS) e dall’Agenzia nazionale francese per la ricerca (ANR), i ricercatori dell’Empa del laboratorio “Materials for Energy Conversion” vogliono ora affrontare questo problema. I materiali utilizzati nella produzione degli elettrolizzatori rappresentano infatti un importante fattore di costo dell’elettrolisi. In collaborazione con i ricercatori degli istituti francesi Institut de la Corrosion di Brest e LEMTA di Nancy, i ricercatori dell’Empa stanno sviluppando alternative meno costose per due componenti chiave degli impianti di elettrolisi.

Non temere la corrosione
La tecnologia chiamata “Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis” (PEMWE) è al centro delle ricerche. Gli elettrolizzatori PEMWE sono efficienti e compatibili con le fluttuazioni energetiche tipiche delle fonti rinnovabili. Tuttavia, l’ambiente all’interno dell’elettrolizzatore è estremamente corrosivo. Nella camera centrale dell’elettrolizzatore, l’acciaio si dissolve letteralmente “come zucchero in una tazza di tè”, spiega Konstantin Egorov, ricercatore dell’Empa. Anche i componenti che non entrano direttamente in contatto con il mezzo altamente acido subiscono corrosione. Perfino minime quantità di metallo disciolto nell’acqua ultrapura utilizzata per l’elettrolisi riducono le prestazioni e la durata dell’impianto.

Per questo motivo, i componenti utilizzati per l’ingresso e l’uscita dell’acqua e dei gas prodotti all’interno dell’elettrolizzatore sono realizzati in titanio, un materiale costoso e difficile da lavorare. Ma non basta: per evitare che il titanio si ossidi e comprometta l’efficienza dell’elettrolizzatore, i componenti devono essere rivestiti con un metallo prezioso, il platino, aumentando ulteriormente i costi.

Lo scienziato dei materiali Konstantin Egorov sta quindi cercando soluzioni per sostituire il costoso platino senza compromettere la resistenza alla corrosione. Per farlo punta su una particolare forma di ossido di titanio, il rutilo altamente cristallino con basso contenuto di ossigeno. In questo ossido mancano alcuni atomi di ossigeno, caratteristica che conferisce al materiale una buona conducibilità elettrica, mentre l’elevata cristallinità garantisce una forte resistenza alla corrosione: esattamente ciò che serve per l’elettrolisi PEMWE. I ricercatori sostituiscono inoltre il titanio con acciaio come materiale di supporto. “L’acciaio non è solo più economico, ma anche molto più facile da lavorare. Questo permette di progettare nuovi componenti avanzati che aumentano l’efficienza della cella”, spiega Konstantin Egorov. Grazie al rivestimento resistente, l’ambiente corrosivo non dovrebbe più avere effetti negativi sul materiale.

L’applicazione nell’industria
I primi risultati confermano l’elevata resistenza alla corrosione di questo innovativo rivestimento. “Siamo riusciti a sviluppare un metodo per rivestire con successo di ossido di titanio il primo componente dell’elettrolizzatore PEMWE, la cosiddetta piastra bipolare”, spiega Konstantin Egorov. Il metodo utilizzato dal ricercatore dell’Empa è il cosiddetto deposito fisico da fase vapore (“physical vapour deposition” o PVD), una tecnologia già ampiamente utilizzata nell’industria. “Per noi è importante sviluppare qualcosa che l’industria possa davvero utilizzare”, sottolinea il ricercatore.

I componenti prodotti da Konstantin Egorov all’Empa vengono sottoposti dai partner del progetto a rigorosi test di corrosione, prima in laboratorio e successivamente in un elettrolizzatore in funzione. La piastra bipolare ha già superato con successo i test. I ricercatori vogliono ora rivestire di ossido di titanio anche un altro componente chiave: il cosiddetto strato poroso di trasporto.

“Il rivestimento di materiali porosi presenta numerose sfide”, afferma Konstantin Egorov. I pori devono essere rivestiti in modo uniforme per evitare la corrosione del materiale sottostante, ma senza ostruirsi. Nonostante le difficoltà, l’esperto di rivestimenti è fiducioso sulla fattibilità del progetto. Il progetto proseguirà fino al 2026. Successivamente, i ricercatori dell’Empa sperano di convincere un partner industriale a sviluppare questa tecnologia innovativa in vista della sua commercializzazione.


Contatto:
Dott. Konstantin Egorov
Empa, Materials for Energy Conversion
Tel. +41 58 765 65 19
konstantin.egorov@empa.ch

Dott.ssa Meike Heinz
Empa, Materials for Energy Conversion
Tel. +41 58 765 65 42
meike.heinz@empa.ch

Nota della redazione: i diritti delle immagini appartengono al rispettivo editore. Diritti immagine: EMPA