Tuttavia, il mercato nel suo complesso tende a dare minore priorità all'innovazione nei materiali e nei componenti. Questo articolo farà luce su alcune priorità critiche relative a materiali e componenti per le principali tecnologie di elettrolisi, basandosi sui dati del rapporto IDTechEx "Materials for Green Hydrogen Production 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts".
Elettrolizzatore per acqua alcalina (AWE): nuovi design degli elettrodi per una maggiore efficienza
L'elettrolizzatore alcalino per acqua (AWE) è una tecnologia matura e ampiamente commercializzata che offre il costo di investimento più basso e prestazioni prevedibili a lungo termine. Il modulo di celle AWE utilizza un elettrolita alcalino liquido (idrossido di potassio, KOH) insieme a un diaframma poroso ed è basato su materiali ampiamente disponibili come nichel e acciaio inossidabile.
Una delle principali sfide dell'elettrolisi dell'acqua (AWE) è la sua minore efficienza rispetto al principale concorrente: l'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEMEL). Pertanto, gli sviluppatori di tecnologie e materiali per elettrolizzatori si sono concentrati sulla produzione di rivestimenti catalitici ad alte prestazioni per gli elettrodi, al fine di migliorare l'efficienza di conversione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. I rivestimenti ad alte prestazioni sono disponibili in commercio, ma molti si basano ancora sull'utilizzo di metalli critici del gruppo del platino (PGM), come il rutenio, in rivestimenti di ossidi misti.
La ricerca sui rivestimenti per elettrodi si è concentrata sulla scoperta e l'applicazione di nuovi materiali catalitici. Tra le strategie più promettenti vi è l'accoppiamento del nichel tradizionale con altri metalli di transizione e non di transizione, ad esempio nel NiFeCoP. Inoltre, l'utilizzo di elettrodi porosi, come le reti di nichel, può essere particolarmente efficace in combinazione con questi tipi di rivestimenti, producendo catalizzatori altamente nanostrutturati che offrono ampie superfici per le reazioni.
Premendo questi elettrodi contro il diaframma poroso, è possibile migliorare ulteriormente l'efficienza grazie alla minore distanza che le specie chimiche devono percorrere tra i siti di reazione. Questa configurazione è nota come cella a vuoto zero ed è già ampiamente utilizzata negli stack AWE commerciali. De Nora è uno dei produttori di componenti per celle a vuoto zero e di rivestimenti avanzati per elettrodi, e collabora con fornitori AWE affermati come McPhy Energy e thyssenkrupp nucera. IDTechEx prevede che la combinazione di queste strategie di progettazione di materiali e componenti possa migliorare ulteriormente l'efficienza degli AWE, ma sono necessari maggiori sforzi commerciali a livello globale.
Elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEMEL): riduzione della necessità di materiali costosi e critici
Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEMEL) stanno guadagnando popolarità grazie alla loro elevata efficienza, al design compatto e all'adattabilità alle fluttuazioni delle fonti di energia rinnovabile. Sebbene si stia assistendo a una tendenza verso la standardizzazione dei materiali nelle celle a combustibile PEMEL, l'innovazione è tutt'altro che stagnante, in particolare nello sviluppo dei catalizzatori anodici.
Il platino (Pt) e l'iridio (Ir) catalizzano rispettivamente le reazioni elettrochimiche di sviluppo di idrogeno e ossigeno che avvengono nell'elettrolizzatore. I materiali più moderni utilizzati sono il platino supportato su nerofumo (Pt/C) per il catodo e il nerofumo (Ir) o l'ossido di iridio (IrOx) per l'anodo. L'utilizzo dell'iridio nell'anodo è particolarmente problematico, poiché i carichi attuali di 1-2,5 g/kW e l'elevata domanda da parte dei sistemi PEMEL possono esercitare una pressione significativa sull'offerta globale di iridio.
Fornitori di catalizzatori, come Heraeus Precious Metals, stanno affrontando il problema dell'iridio accoppiandolo al rutenio in un catalizzatore a ossido misto (IrRuOx). Data l'urgente necessità di ridurre il carico di iridio, questo materiale potrebbe essere disponibile in commercio a breve. Un'altra strategia esplorata sia in ambito accademico che nei gruppi di ricerca e sviluppo aziendali è l'utilizzo di catalizzatori a base di iridio supportato, simili all'approccio Pt/C. Inoltre, molta ricerca si concentra sull'eliminazione dell'iridio a favore di altri metalli del gruppo del platino (PGM), come il rutenio, accoppiandolo a metalli di transizione in ossidi misti. Nel complesso, i catalizzatori privi di iridio e di PGM sono ancora in una fase iniziale di sviluppo. IDTechEx prevede che saranno necessari ulteriori sforzi di ricerca per dimostrarne la competitività e spianare la strada a un'ampia adozione commerciale.
Altri componenti dell'elettrolizzatore PEM, come gli strati di diffusione del gas (GDL) e le piastre bipolari, utilizzano anch'essi rivestimenti in metalli preziosi, oltre al titanio. Entrambi questi materiali potrebbero diventare più problematici in futuro, pertanto molte aziende stanno esplorando nuovi metodi di produzione e rivestimento per ridurre la dipendenza da essi. Per ulteriori informazioni, si veda il precedente articolo di ricerca di IDTechEx sui materiali per elettrolizzatori PEM.
Priorità di innovazione nei materiali e nei componenti per gli elettrolizzatori. Fonte: IDTechEx
Elettrolizzatore a membrana a scambio anionico (AEMEL): miglioramento delle membrane ed evitazione dei materiali critici
L'elettrolizzatore a membrana a scambio anionico (AEMEL) è una tecnologia relativamente giovane ma in rapida espansione, che mira a combinare i vantaggi delle tecnologie alcaline e PEM. L'obiettivo dell'AEMEL è quello di unire l'abbondanza di materiali dell'elettrolizzatore alcalino (AWE) con l'elevata efficienza caratteristica del PEMEL. Questa tecnologia sta vivendo una rapida crescita e innovazione, come dimostrano aziende come Enapter, pioniere nello sviluppo di sistemi commerciali su scala megawatt.
IDTechEx ha osservato che molti gruppi di ricerca che studiano la tecnologia AEMEL continuano a utilizzare catalizzatori a base di platino-iridio nei loro elettrodi. Un obiettivo chiave per l'industria e i nuovi operatori commerciali dovrebbe essere quello di eliminare completamente l'uso di metalli del gruppo del platino (PGM) e optare per catalizzatori nanostrutturati ad alte prestazioni utilizzati nel settore AWE. Inoltre, questa tecnologia potrebbe beneficiare dell'applicazione di elettrodi a diffusione di gas (GDE), che combinano lo strato di diffusione del gas con l'elettrodo in un unico componente.
Un'altra sfida è rappresentata dall'ampia varietà di materiali utilizzati nelle membrane a scambio anionico (AEM) e, di conseguenza, dalle loro prestazioni e durabilità. Le AEM possono trarre vantaggio da alcune delle strategie osservate nelle membrane a scambio protonico (PEM), come la reticolazione delle catene polimeriche e l'utilizzo di strati di supporto (ad esempio, PTFE) sui quali la membrana può essere rivestita. La variabilità dei materiali probabilmente persisterà, ma gli sviluppatori di AEMEL possono trarre ispirazione dai progressi attuali nelle tecnologie AWE e PEMEL, applicandoli ai propri progetti di celle e stack.
Elettrolizzatore a ossido solido (SOEC): struttura cellulare ottimizzata per elevate prestazioni e bassa degradazione
L'elettrolizzatore a ossido solido (SOEC) è una tecnologia relativamente nuova nel panorama dell'elettrolisi, con una presenza di mercato inferiore rispetto ad AWE e PEMEL. Il SOEC opera a temperature molto più elevate (>600 °C) rispetto alle suddette tecnologie a bassa temperatura (50-90 °C) e pertanto richiede materiali e approcci progettuali molto diversi.
La tecnologia SOEC ha tratto grande vantaggio dai progressi nei materiali derivati dalla tecnologia delle celle a combustibile a ossido solido (SOFC), poiché la maggior parte delle SOEC è progettata per funzionare in modo reversibile, sia come elettrolizzatore (SOEC) che come cella a combustibile (SOFC). Sebbene alcuni componenti ceramici siano già consolidati in questa tecnologia, lo sviluppo di nuovi materiali e assemblaggi elettrodo-elettrolita nelle SOEC rappresenta un'area promettente per l'innovazione.
Tra le priorità per l'innovazione rientra l'utilizzo di elettroliti che consentono temperature di esercizio inferiori, garantendo stabilità a lungo termine e vantaggi in termini di costi. Tra questi, la ceria drogata con gadolinio (GDC), già impiegata in alcune batterie commerciali, come dimostrato da aziende quali Ceres Power. Un altro aspetto fondamentale è l'utilizzo di celle con supporto metallico (MSC), grazie ai numerosi vantaggi intrinseci rispetto alle celle con supporto di elettrodi o elettroliti, più comuni nelle batterie commerciali. Tali vantaggi includono la riduzione dei costi dei materiali e una maggiore resistenza ai cicli termici e alle sollecitazioni meccaniche. Inoltre, sono in corso importanti sforzi per migliorare la compatibilità termica e chimica dei materiali delle celle con interconnessioni, strati di contatto e sigillanti.
In futuro, per le batterie SOEC potrebbero essere adottati materiali più avanzati. Nel complesso, nelle batterie SOEC viene utilizzata un'ampia gamma di materiali, il che evidenzia non solo la diversità della tecnologia, ma anche il potenziale di innovazione nei materiali per questi elettrolizzatori ad alta temperatura.
Prospettive di mercato e strategie
Gli sviluppatori di tecnologie e materiali per elettrolizzatori si trovano ad affrontare numerose sfide, molte delle quali interconnesse. Ad esempio, ridurre lo spessore della membrana a scambio protonico o anionico può aumentarne l'efficienza, ma potrebbe anche comprometterne la durata. Viceversa, aumentare la durata attraverso materiali e tecniche di produzione avanzate incrementa i costi di produzione. Di conseguenza, non esiste un unico approccio ottimale all'innovazione di materiali e componenti. Tuttavia, questo processo di ottimizzazione apre significative opportunità commerciali per lo sviluppo di materiali per elettrolizzatori più sofisticati.
Autore: Chingis Idrissov, analista tecnologico presso IDTechEx
