Rendere l’idrogeno verde scalabile e sostenibile
L’idrogeno verde è un carburante a emissioni zero prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua e alimentato da energia rinnovabile. Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM, Proton Exchange Membrane) (dispositivi che usano l’elettricità per scindere l’acqua) sono considerati una delle tecnologie più interessanti per la produzione di idrogeno verde, perché funzionano bene con le energie rinnovabili. Una grande difficoltà, tuttavia, è legata al fatto che gli elettrolizzatori PEM si basano su metalli del gruppo del platino, che sono costosi e scarsi. L’iridio, ad esempio, è un catalizzatore eccellente della reazione di evoluzione dell’ossigeno, in grado di sopravvivere alle condizioni acide dell’elettrolizzatore. A livello globale, però, ne vengono prodotte solo circa otto tonnellate all’anno, il che rappresenta un grave limite. Inoltre, gli attuali processi di produzione, come i rivestimenti catalitici, sono lenti, complessi e difficili da controllare in modo uniforme, e dunque non sempre ideali per la produzione di massa.
Ridurre la dipendenza dalle materie prime critiche
Il progetto Naco Tech(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si proponeva di affrontare questi due problemi collegati: ridurre la quantità di materie prime critiche usate nei sistemi a idrogeno e trovare il modo di applicare i rivestimenti catalitici in modo più scalabile e controllato. «La soluzione che abbiamo proposto è stata l’applicazione di una tecnica chiamata “magnetron sputtering ad alta velocità” (HMS, High-Speed Magnetron Sputtering)», spiega Pāvels Nazarovs, membro del progetto, dell’azienda lettone Naco Technologies(si apre in una nuova finestra). «Lo strato di catalizzatore si forma come un sottile rivestimento nanostrutturato, con un controllo preciso su spessore, composizione e carico.» L’obiettivo di Naco Tech, sostenuto dal Consiglio europeo per l’innovazione(si apre in una nuova finestra), era quello di adattare l’HMS dal rivestimento in batch alla produzione roll-to-roll, dove le membrane o altri substrati flessibili possono essere rivestiti in modo continuo. Per raggiungere questo obiettivo, l’équipe del progetto ha collaborato con i produttori di elettrolizzatori PEM e di celle a combustibile, oltre che con gli scienziati locali dell’Università della Lettonia.
Riduzione significativa del carico di iridio
I ricercatori sono riusciti a dimostrare che l’HMS può creare e applicare rivestimenti catalitici in un unico passaggio, senza usare inchiostri catalitici o processi di chimica umida. «Abbiamo anche raggiunto il nostro principale obiettivo tecnico: ridurre il carico di iridio di circa 10 volte senza sacrificare le prestazioni», afferma Nazarovs. «Nelle nostre migliori configurazioni di membrana, lo strato di catalizzatore rivestito di HMS ha raggiunto prestazioni migliori dei campioni commerciali di riferimento, pur usando una quantità di iridio molto inferiore.» Le membrane selezionate con rivestimento catalitico sono state testate in uno stack di elettrolizzatore reale, confermando che i rivestimenti possono funzionare in un sistema pratico e non solo in piccole celle di laboratorio. «Il prossimo passo è la scalabilità», osserva Nazarovs. «Ora dobbiamo passare dal rivestimento in batch e su scala pilota alla produzione continua roll-to-roll, dove le membrane possono essere rivestite in volumi maggiori con una qualità stabile e prestazioni ripetibili.»
Un ciclo energetico europeo più forte
Il contributo chiave di Naco Tech sarà quello di rendere l’idrogeno verde più facile da scalare e più economico da produrre. «A livello più ampio, l’idrogeno verde può aiutare l’Europa a costruire un sistema energetico più completo e indipendente», spiega Nazarovs. «L’elettricità rinnovabile proveniente dall’energia eolica e solare può essere usata per produrre idrogeno, che può poi essere immagazzinato e trasportato. L’idrogeno può quindi essere riusato nell’industria, nel trasporto pesante, nel bilanciamento dell’energia e in altri settori difficili da elettrificare direttamente.» Questa soluzione potrebbe dunque creare un ciclo energetico molto più forte attorno alle risorse rinnovabili europee, evitando che l’UE faccia affidamento sui combustibili fossili importati e sulle forniture di gas, sensibili agli eventi geopolitici. «L’obiettivo più ampio è quello di sostenere l’idrogeno verde a basso costo, filiere europee più resistenti, una dipendenza minore dalle importazioni di energia fossile e un futuro industriale più sostenibile», conclude Nazarovs.
