Una membrana a scambio protonico aumenta la produzione di idrogeno verde

Immagina un futuro energetico in cui l'idrogeno è pulito e onnipresente come la luce del sole: alimenta veicoli, alimenta fabbriche e funge da accumulo di energia per bilanciare le fluttuazioni della rete. Una tecnologia chiave che abilita questa visione è l'elettrolisi dell'acqua a membrana a scambio protonico (PEM) per la produzione di idrogeno. Cosa rende unica questa tecnologia e come rimodellerà il nostro futuro energetico?

L'elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEMEL), nota anche come elettrolisi a membrana a elettrolita polimerico, è un processo elettrochimico che divide l'acqua in idrogeno e ossigeno. Il suo componente principale è la membrana a scambio protonico, un elettrolita solido costituito da polimeri speciali. La tecnologia PEMEL è diventata un punto focale della ricerca sull'energia dell'idrogeno grazie alla sua alta efficienza, all'elevata densità di corrente, alla purezza superiore del gas e alle eccellenti capacità di risposta dinamica.

Un elettrolizzatore PEM è costituito da diversi componenti chiave:

• Piastra bipolare: Distribuisce la corrente elettrica in modo uniforme attraverso gli elettrodi, dirige il flusso di gas (idrogeno e ossigeno) e fornisce supporto strutturale. Tipicamente realizzato con materiali resistenti alla corrosione come titanio, acciaio inossidabile o grafite.
• Strato di diffusione del gas (GDL): Uno strato poroso tra elettrodi e piastre bipolari che distribuisce uniformemente i gas di reazione e rimuove l'acqua prodotta. Solitamente costruito con carta di carbonio o feltro di fibra di carbonio.
• Strato catalitico: Il sito delle reazioni elettrochimiche. I catalizzatori anodici promuovono la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), mentre i catalizzatori catodici facilitano la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). I materiali comuni includono ossidi di iridio/rutenio (anodo) e platino/nichel (catodo).
• Membrana a scambio protonico (PEM): Il nucleo del sistema, un elettrolita solido che consente selettivamente il trasporto di protoni (H+) bloccando elettroni e gas. I materiali comuni includono polimeri di acido perfluorosolfonico come il Nafion.

Il processo di lavoro prevede:

1. Fornitura di acqua ultrapura all'anodo
2. Ossidazione elettrochimica all'anodo: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
3. Migrazione protonica attraverso la PEM al catodo
4. Generazione di idrogeno al catodo: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
5. Separazione e raccolta di gas idrogeno e ossigeno

Rispetto all'elettrolisi alcalina (AEL) e a ossido solido (SOEL), PEMEL offre:

• Maggiore densità di corrente per una maggiore efficienza di produzione
• Purezza superiore del gas (99,99% di idrogeno)
• Risposta rapida agli input di energia rinnovabile intermittenti
• Capacità di funzionamento ad alta pressione
• Design compatto e modulare

Le sfide attuali includono:

• Elevati costi dei materiali (catalizzatori di metalli preziosi, membrane speciali)
• Problemi di durata della membrana
• Requisiti rigorosi di acqua ultrapura

La tecnologia PEMEL consente molteplici soluzioni di energia pulita:

• Produzione di "idrogeno verde" alimentata da fonti rinnovabili
• Materia prima pulita per la sintesi di ammoniaca/metanolo e la raffinazione del petrolio
• Rifornimento di idrogeno per veicoli a celle a combustibile e sistemi di alimentazione
• Accumulo di energia a lunga durata
• Bilanciamento della rete attraverso la conversione da energia a gas

I recenti progressi includono:

• Sviluppo di catalizzatori senza metalli preziosi
• Materiali di membrana alternativi (polisulfoni di poliarileter, poliimmidi)
• Progettazioni di celle ottimizzate (elettrodi 3D, campi di flusso migliorati)
• Integrazione di sistemi migliorata con le energie rinnovabili

L'elettrolisi PEM dovrebbe evolversi verso:

• Implementazione su larga scala per applicazioni industriali/energetiche
• Riduzione dei costi attraverso innovazioni sui materiali
• Maggiore efficienza tramite l'ottimizzazione del sistema
• Prolungamento della durata operativa
• Sistemi di controllo potenziati dall'IA

L'elettrolizzatore PEM Hybrion di Bosch rappresenta un progresso significativo nella produzione di idrogeno su scala commerciale. Il sistema presenta:

• Potenza nominale di 1,25 MW per stack
• Produzione di idrogeno di 22,9 kg/ora
• Pressione di esercizio di 34 bar
• Architettura modulare per una scalabilità flessibile

In programma per l'implementazione commerciale nel 2025, la tecnologia Hybrion dimostra la crescente maturità delle soluzioni di elettrolisi PEM industriali.