Quale tecnologia di elettrolizzatori si può impiegare per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi? La complessità del processo di produzione dell’idrogeno verde richiede di prediligere uno sguardo tecnico sulla questione che permetta di fare luce sugli aspetti necessari a valutarne la fattibilità: i costi attuali e prospettici, lo stato di efficienza e gli obiettivi.
Si parla sempre più spesso di idrogeno verde – prodotto tramite l’elettrolisi dell’acqua alimentata da energie rinnovabili – con numeri roboanti per nuova occupazione, riduzione dei costi, impatto sul PIL, ecc.
Ben poco si sottolineano, invece, le sfide di come si comportano e di come dimensionare i complessi impianti elettrolizzatori ipotizzati – sempre più potenti fino al GW – per sfruttare effetti scala ed utilizzanti risorse eoliche e/o fotovoltaiche.
Analizziamo nel dettaglio i punti principali della questione partendo dal processo di elettrolisi dell’acqua per passare poi alle tecnologie ad oggi presenti per la produzione di idrogeno.
L’elettrolisi dell’acqua è ben nota da tempo per la produzione di laboratorio e di nicchia, ma è necessaria una massiccia produzione industriale se si vuol promuovere lo sviluppo dell’idrogeno
L’elettrolisi dell’acqua è ben nota da tempo, ma è una produzione ancora di laboratorio e di nicchia. Una massiccia produzione industriale e la realizzazione di impianti sempre più grandi in grado di sfruttarne l’effetto scala è fondamentale per ridurre i costi del capitale di investimento e migliorare affidabilità, efficienza e flessibilità, specie quando si tratta di tecnologie alimentate da fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico.
Il processo di scissione della molecola dell’acqua in idrogeno e ossigeno può essere schematizzato come nella seguente figura.
Fonte: elaborazione degli autori
Diamo ora un’occhiata più da vicino a come funziona un elettrolizzatore.
Un elettrolizzatore non è un semplice dispositivo con due elettrodi in un serbatoio pieno d’acqua, ma è un sistema complesso con vari sottosistemi e componenti. Fondamentalmente, l’esperienza pluridecennale del loro funzionamento è stata con l’alimentazione dalla rete e la variazione della produzione di idrogeno tramite il controllo della corrente alla cellula (lo stack). Le esperienze con l’alimentazione diretta da elettricità rinnovabile variabile sono scarse e prevalentemente su piccoli impianti prototipo.
4 le tecnologie attuali per gli elettrolizzatori
Quattro sono le principali tecnologie per gli elettrolizzatori impiegabili per la produzione di idrogeno verde. Le prime due sono già ben posizionate nel mercato e hanno uno stack (la cellula dell’impianto dove le molecole d’acqua vengono scisse in ossigeno e idrogeno) con potenza nell’ordine dei MW. Le altre due hanno una dimensione dello stack nell’ordine dei kW e con una durata ridotta, offrono buone prospettivo di sviluppo ma non sono ancora consolidate nel mercato.
1. Cella elettrolitica alcalina (AEC) è oggi la più diffusa; opera a bassa temperatura, ha un basso costo di capitale ma è meno flessibile della PEM; ha una catena di fornitura e capacità produttiva consolidate.
2. Membrana a scambio protonico (PEM): opera anche lei a bassa temperatura con i protoni che passano attraverso una speciale membrana; offre una risposta dinamica più rapida e intervalli di potenza di funzionamento più ampi rispetto all’AEC ma ha una durata dello stack inferiore; attualmente presenta costi di capitale più elevati rispetto all’AEC.
3. Anion Exchange Membrane (AEM): opera a bassa temperatura e offre un potenziale di sviluppo interessante. Il basso costo dei materiali utilizzati e il semplice bilanciamento del sistema consentono di costruire in modo efficiente un elettrolizzatore da 2,4 kW; l’obiettivo principale è impiegarlo in una produzione di idrogeno decentralizzata/distribuita con componenti standardizzati che possono essere addizionati a piacere. Fino ad ora solo poche aziende sono attive in questa tecnologia, ma una società ha centinaia di piccoli impianti fino a 20 kW attualmente in servizio in 36 paesi.
4. Solid Oxide Electrolier Cell (SOEC): opera ad alta temperatura (700–800 °C) e offre un potenziale di sviluppo molto elevato, ma è tuttora in fase di sperimentazione con alcuni prototipi ,sebbene si prevedano in futuro altissime efficienze; fino ad ora sono attive solo poche aziende con prezzi elevati data la necessità di raggiungere la maturità.
La figura tratta dal CentroComune di Ricerca della Commissione europea per il caso della tecnologia PEM, mostra la complessità dell’impianto e del suo Balance of Plant (BOP).
Fonte: JRC Report 2018- EU harmonised terminology for low-temperature water electrolysis for energy-storage applications
L’impianto di elettrolisi è quindi molto più complesso del semplice elemento stack che per il suo efficace funzionamento richiede molti sottosistemi che impattano sull’efficienza dell’impianto, sul suo comportamento dinamico e quindi sulla sua flessibilità (lo stack ha un’elevata flessibilità capace di rispondere alla variazione dell’energia fornita).
Passiamo adesso a vedere i costi attuali e prospettici delle tecnologie, lo stato di efficienza e gli obiettivi.
Dall’attuale 64% al 75% al 2050 l’obiettivo di incremento di efficienza degli elettrolizzatori
I costi in termini di CAPEX/kW attuali e prospettici al 2050 per differenti tecnologie sono riportati in tabella e sono elaborati sulla base dei risultati del progetto STORE & GO del programma europeo Horizon 2020. Fanno riferimento alle taglie massime attuali (5-6 MW) e per una potenza di 100 MW. Aumenti delle taglie fino a 1.000 MW e oltre consentirebbero ulteriori riduzioni.
Per la tecnologia AEM il prezzo attuale per i sistemi modulari da 2,5–20 kW è di 2.500- 3.500 €/kW; sono in fase di sviluppo soluzioni containerizzate di qualche MW ed entro il 2025 i produttori di AEM prevedono un costo inferiore rispetto agli elettrolizzatori PEM di pari potenza.
L’efficienza attuale degli impianti per le varie tecnologie è del 64% secondo la IEA. L’obiettivo è di salire al 69% nel 2030 e al 75% nel 2050 (44 kWh/kg H₂).
C’è una tecnologia privilegiata? Ogni tecnologia ha le sue sfide, dai materiali critici alle prestazioni, alla durata e alla maturità
IRENA
Ma c’è una tecnologia privilegiata? IRENA afferma che “Ogni tecnologia ha le sue sfide, dai materiali critici alle prestazioni, alla durata e alla maturità; non c’è un chiaro vincitore in tutte le applicazioni, il ché lascia la porta aperta alla concorrenza e all’innovazione che riducono i costi”.
Le caratteristiche dell’alimentazione rinnovabile e della domanda di idrogeno dettano la tecnologia più appropriata, l’architettura e l’ingegnerizzazione del completo impianto. Differenti costi e legislazioni locali, poi, concorrono a rendere ogni impianto di una certa taglia uno specifico progetto integrato.
Le esperienze con l’alimentazione diretta da elettricità rinnovabile variabile sono scarse e prevalentemente su piccoli impianti prototipo
Per le prestazioni e il costo del sistema elettrolizzatore per le varie tecnologie sono fondamentali i valori di parametri tecnici che debbono essere garantiti dai fornitori come, ad esempio:
- gamma di potenza nella quale è possibile il funzionamento e relativi tempi di sovraccaricabilità
- efficienza in tutta la gamma di potenza di alimentazione
- tempi di avviamento dell’impianto a freddo ed a caldo
- capacità per il completo impianto e non del solo stack di seguire forti rampe di potenza in salita e discesa
- requisiti di purezza e di temperatura dell’acqua per il corretto funzionamento
- pressione finale di uscita dell’idrogeno in funzione della relativa domanda
- durata di vita dello stack e durata dell’impianto
- requisiti minimi di potenza di alimentazione dell’impianto in caso di assenza prolungata di energia da fonti rinnovabili per minimizzare le conseguenze dei parametri sopra indicati al momento del ritorno della potenza minima utile per il funzionamento.
Molti di questi fondamentali valori rischiano di essere messi in discussione a fronte di una fornitura elettrica fortemente intermittente e variabile. Il dibattito da poco apertosi – pur con gran fermento e aspettative – sulla produzione di idrogeno verde come svolta nella transizione energetica e nella lotta ai cambiamenti climatici deve quindi porre primaria attenzione a questi aspetti tecnici per valutarne l’effettivo potenziale.
Il post è parte di un quartetto di analisi composto da
1. Variabilità e intermittenza di eolico e fotovoltaico
2. Idrogeno, elettrolisi ed elettrolizzatori: la tecnologia prima di tutto
3. Idrogeno verde: ostacoli ad un’alimentazione diretta da impianto eolico o fotovoltaico
4. Idrogeno verde: considerazioni su costi e regolazione
Alessandro Clerici è Honorary Chair di WEC Italy e FAST
Samuele Furfari è Presidente della European Society of engineers and industrialists ed insegna geopolitica dell’energia presso la Free University of Brussels
Foto: Anode production Electrolysis cells - Hydro Sunndal Flickr
Francesco Marinelli 
“9 kg di acqua danno 1 kg di idrogeno e 3,5 kg di ossigeno” ???!!!
9 kg di acqua danno 1 kg di idrogeno e 8 kg di ossigeno.
….povero Lavoisier….