I metodi di produzione dell'idrogeno verde si stanno orientando verso soluzioni che combinano elevate prestazioni, costi contenuti e un impatto ambientale ridotto. Tra queste, una delle innovazioni più promettenti è l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico (AEM WE).

L’elettrolisi alcalina avanzata è utilizzata a livello commerciale da decenni e rimane la tecnologia più matura per la produzione di idrogeno su larga scala. Attualmente viene impiegata in alcuni dei più grandi progetti di idrogeno verde a livello mondiale, poiché può essere implementata su scala di gigawatt. Funziona in un ambiente alcalino concentrato, utilizzando tipicamente una soluzione di idrossido di potassio (KOH) al 30% p/p.

Sebbene efficace e relativamente economica, questa tecnica richiede elettroliti altamente caustici e spesso presenta limitazioni per quanto riguarda l’integrazione con le fonti di energia rinnovabile. In alternativa, l’elettrolisi dell’acqua a membrana a scambio protonico (PEM) è più flessibile e presenta un design più compatto, ma si basa su costosi metalli nobili, principalmente l’iridio.
As a novel technology whose design enables management of scarce minerals, AEM WE was conceived to limit reliance on scarce and expensive electrocatalysts such as platinum, palladium, and iridium. In fact, AEM systems are designed around catalysts and components based on earth-abundant raw materials such as nickel, iron, and other transition metals.

L’elettrolisi AEM si basa sul principio alcalino, ma introduce una membrana conduttrice di ioni al posto del diaframma convenzionale per separare l’anodo e il catodo della cella elettrochimica. La tecnologia opera in condizioni alcaline più moderate e utilizza soluzioni di KOH significativamente più diluite (tipicamente 1 M di KOH) rispetto agli elettrolizzatori alcalini convenzionali.

Per quanto riguarda i materiali delle membrane, e al fine di rispettare i requisiti normativi globali in continua evoluzione relativi ai PFAS, l’industria dell’idrogeno si sta orientando sempre più verso membrane prive di PFAS per far fronte alla crescente attenzione rivolta a queste sostanze chimiche. Di conseguenza, l’elettrolizzatore AEM WE mira a combinare elevate prestazioni elettrochimiche con migliori credenziali lungo l’intero ciclo di vita.

Diversi programmi di ricerca recenti finanziati dall’UE si concentrano sullo sviluppo di catalizzatori e componenti a base di metalli non preziosi per gli elettrolizzatori AEM. L’obiettivo finale è quello di implementare un elettrolizzatore che combini i vantaggi operativi dei sistemi a membrana con i materiali tipicamente utilizzati nell’elettrolisi alcalina, riducendo sia i costi di capitale sia i rischi legati alla catena di approvvigionamento associati alla dipendenza geopolitica dalle materie prime critiche. In questo contesto, De Nora partecipa attivamente a diversi consorzi di ricerca, apportando le proprie conoscenze e la consolidata esperienza nella progettazione e nella formulazione di elettrocatalizzatori.

Ad esempio, il progetto ENDURION mira a realizzare un elettrolizzatore AEM pressurizzato altamente efficiente e durevole attraverso innovazioni nella progettazione delle celle e degli stack. Parallelamente, il progetto HyPrAEM sta sviluppando un nuovo elettrolizzatore AEM ad alta pressione per migliorare le prestazioni del sistema, la durata e la scalabilità industriale.

Sebbene la riduzione dell’uso di metalli critici sia un obiettivo fondamentale per l’AEM WE, la sostenibilità va oltre la selezione dei catalizzatori. Una delle preoccupazioni crescenti relative alla diffusione su larga scala dell’idrogeno è il consumo di acqua dolce. I sistemi di elettrolisi convenzionali richiedono generalmente acqua ad alta purezza, il che può rappresentare una sfida nelle regioni che devono affrontare scarsità idrica e siccità.

Per questo motivo, diversi consorzi di ricerca europei, ai quali ha contribuito De Nora, si sono concentrati sempre più sulla possibilità di realizzare l’elettrolisi utilizzando materie prime di qualità inferiore.

Ad esempio, il progetto ANEMEL ha affrontato una delle sfide chiave per la futura produzione di idrogeno: ridurre la dipendenza dall’acqua ultrapura. Ciò è stato possibile grazie allo sviluppo di membrane, catalizzatori e componenti di sistema avanzati in grado di funzionare con flussi d’acqua di qualità inferiore.

Consentendo il funzionamento con acqua meno purificata, ANEMEL ha contribuito a spianare la strada al progetto ASTERISK, anch’esso sostenuto da finanziamenti europei. In questo caso, i ricercatori hanno studiato nuovi materiali e progetti di sistema per consentire l’uso diretto dell’acqua di mare come materia prima per la produzione di idrogeno.

Nel complesso, limitare il ricorso ai metalli nobili, adottare materiali privi di PFAS e ridurre al minimo il consumo di acqua dolce riflettono un impegno più ampio nello sviluppo di tecnologie a idrogeno che sostengano la decarbonizzazione, anticipando al contempo i futuri requisiti ambientali e normativi.

In conclusione, diversi produttori di elettrolizzatori e componenti, tra cui De Nora, stanno conducendo ricerche sull’AEM WE e sulla sua implementazione industriale per allinearsi ai principi interni di progettazione circolare e ridurre la dipendenza dai metalli del gruppo del platino, risorse scarse e concentrate in determinate aree geografiche. L’obiettivo è sviluppare sistemi che combinino robustezza e prestazioni elevate, offrendo al contempo caratteristiche operative paragonabili a quelle delle tecnologie attualmente disponibili in commercio.