Così l’ingegneria atomica aumenta la durata degli elettrolizzatori di ultima generazione

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L’ingegneria atomica al servizio dell’idrogeno rinnovabile

Una lega progettata a livello atomico potrebbe accelerare la diffusione commerciale dell’elettrolisi AEM – acronimo di membrana a scambio anionico. L’intuizione appartiene a un gruppo di ricercatori dell’Istituto coreano di scienza dei materiali (KIMS), in Corea del Sud, creatori di elettrocatalizzatori altamente attivi e durevoli nell’ambiente tipicamente alcalino di questa tecnologia.

Ma per comprendere appieno la portata della ricerca è necessario compiere qualche passo indietro.

L’elettrolisi AEM, vantaggi e svantaggi

Rendere la produzione di idrogeno verde economicamente sostenibile, adattandola al tempo stesso ai carichi variabili di fotovoltaico ed eolico, è una sfida ancora aperta. Sfida che l’elettrolisi AEM vorrebbe poter risolvere. Sulla carta questa tecnologia ha caratteristiche promettenti: unisce i vantaggi di altre celle elettrolitiche riuscendo ad operare in condizioni altamente dinamiche e utilizzando materiali non preziosi. Allo stato attuale, però, la sua commercializzazione è limitata.

Realtà come la tedesca Enapter hanno iniziato a portare sul mercato le prime migliaia di stack, ma rispetto agli elettrolizzatori alcalini tradizionali o a quelli PEM (con membrana a scambio protonico), la quota dell’AEM è ancora minoritaria.

A frenarne la diffusione sono alcuni nodi tecnici, primo fra tutti la reazione di produzione di idrogeno che procede più lentamente rispetto a tecnologie che lavorano in ambienti acidi. In soluzioni alcaline, infatti, mancando protoni liberi (H+ o H3O+), i catalizzatori devono fare un lavoro extra per riuscire a rompere le molecole d’acqua.

Ecco perché di solito si preferisce impiegare acceleratori chimici particolarmente attivi come le leghe Nichel-Platino, capaci di mostrare eccellenti prestazioni iniziali nella produzione di idrogeno verde.

Tuttavia, durante il funzionamento prolungato – spiega il Consiglio coreano per la ricerca scientifica e tecnologica – “il nichel si dissolve gradualmente dal catalizzatore sotto forma di ioni o idrossidi. Ciò modifica la composizione e la struttura elettronica del catalizzatore, portando a un rapido degrado delle prestazioni”.

In chimica il fenomeno ha un nome preciso: lisciviazione. E in questo caso comporta la perdita di oltre la metà degli atomi di nichel. Detto in altre parole, per gli elettrolizzatori AEM, al momento, è impossibile competere con gli elettrolizzatori Alcalini o PEM che vantano ormai durate operative consolidate tra le 60.000 e le 80.000 ore.

È qui che interviene la ricerca coreana.

Il catalizzatore Platino-Nichel altamente ordinato

Gli scienziati hanno cercato di migliorare l’approccio intervenendo a livello atomico. Nel dettaglio il team ha sviluppato un elettrocatalizzatore Platino-Nichel in cui gli atomi di nichel sono disposti in posizioni reticolari ben definite anziché casuali (come è di norma), rendendo meno probabile la lisciviazione del nichel dal catalizzatore. E aumentando di conseguenza la stabilità strutturale del composto.

Il lavoro è ovviamente partito da alcune modellazioni: i calcoli quantistici hanno mostrato come l’assetto intermetallico ordinato richieda molta più energia affinché gli atomi di Ni si “sciolgano” o migrino dalla superficie.

Per realizzare questa sorta di griglia cristallina i ricercatori hanno ridotto la lega a bassa temperatura con boroidruro di sodio per poi sottoporla a trattamento termico in atmosfera di azoto. Il nuovo catalizzatore è stato quindi applicato al catodo di una semicella AEM, per scalare progressivamente i test fino ad uno stack di tre celle e una con una superficie attiva di 64 cm².

Il risultato? Il sistema ha funzionato ininterrottamente per 3.000 ore, ossia circa quattro mesi, e con un degrado delle prestazioni sotto il 2%. Ovviamente la stabilità raggiunta da elettrolizzatori PEM e alcalini è ancora lontana, ma è un eccellente passo avanti.

“La novità di questo lavoro – spiegano gli scienziati – risiede nel fatto che questa ricerca apre la strada allo sviluppo di elettrocatalizzatori a basso contenuto di metalli del gruppo del platino (PGM) altamente attivi e durevoli, con un buon rapporto costo-efficacia; inoltre, suggerisce la possibilità e la fattibilità su scala pratica di elettrocatalizzatori intermetallici nanostrutturati per l’applicazione in sistemi industriali”.

L’LCOH dell’idrogeno verde con AEM

Ma cosa vuol dire tutto ciò in termini economici? Stimare il costo della generazione dell’idrogeno verde tramite tecnologia con membrana a scambio anionico è ovviamente un’operazione complessa.

Uno studio del 2023 ci ha provato stimando come baseline attuale per il costo livellato dell’idrogeno (LCOH) una cifra di 5,79 $/kg per un sistema di elettrolisi con una taglia di 1 MW, una densità di corrente ottimale operativa di 1,38 A/cm2, un prezzo dell’elettricità rinnovabile di 0,06 $/kWh e una vita utile economica del sistema di 20 anni senza necessità di sostituire lo stack (durata stimata dello stack di 35.000 ore).

Grazie alla maturazione della tecnologia e all’incremento di scala, l’H2 prodotto tramite AEM potrebbe raggiungere in futuro costi significativamente inferiori. Anche solo un aumento di 5 volte delle dimensioni dello stack, unito all’ottimizzazione dei componenti periferici e a una durata prolungata, può portare a una riduzione del 30% del costo finale.

Tabella comparativa dei costi dell’idrogeno (LCOH)

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