Rendere l'idrogeno verde più accessibile
Nuovi materiali per l'elettrolisi
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L'idrogeno verde - prodotto dall'acqua utilizzando energia rinnovabile - è un importante combustibile sostenibile e un mezzo di stoccaggio dell'energia. Tuttavia, la sua produzione industriale è significativamente più costosa rispetto alla produzione convenzionale di idrogeno da fonti fossili. I ricercatori dell'Empa e i loro partner stanno sviluppando materiali per l'elettrolisi dell'acqua che non solo sono efficienti e più economici, ma possono anche essere scalati a livello industriale.
Il ricercatore dell'Empa Konstantin Egorov riveste i componenti in acciaio inossidabile con ossido di titanio resistente alla corrosione per rendere più conveniente la produzione di idrogeno verde.
Empa
L'idrogeno può sostituire parzialmente i combustibili fossili, il che lo rende una pietra miliare della transizione energetica. L'idea è semplice: elettricità da fonti rinnovabili più acqua uguale idrogeno e ossigeno. Se l'idrogeno viene bruciato come combustibile, reagisce con l'ossigeno atmosferico per formare acqua e il ciclo è completo, senza alcuna emissione di gas serra.
Almeno questo è lo scenario ideale. In realtà, la produzione di idrogeno "verde" tramite elettrolisi deve affrontare una forte concorrenza. Oltre il 90% di questo idrogeno è attualmente ottenuto da fonti fossili, principalmente dal gas naturale. La ragione principale è che l'idrogeno più sostenibile prodotto con l'elettrolisi è circa due volte più costoso da produrre.
In un progetto sostenuto dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) e dall'Agence Nationale de la Recherche (ANR) francese, i ricercatori dell'Empa del laboratorio Materials for Energy Conversion vogliono cambiare questa situazione. I materiali utilizzati negli elettrolizzatori sono uno dei fattori di costo dell'elettrolisi. Insieme ai ricercatori degli istituti di ricerca francesi French Corrosion Institute di Brest e LEMTA di Nancy, i ricercatori dell'Empa stanno lavorando su alternative più convenienti per due componenti chiave dei dispositivi di elettrolisi.
Resistere alla corrosione
I ricercatori si stanno concentrando sull'elettrolisi dell'acqua a membrana a scambio protonico, o in breve PEMWE. Gli elettrolizzatori PEMWE sono efficienti e compatibili con le fluttuazioni di energia previste dalle fonti rinnovabili. Tuttavia, l'ambiente all'interno dell'elettrolizzatore è corrosivo. Nel nucleo dell'elettrolizzatore, l'acciaio si scioglie semplicemente "come lo zucchero in una tazza di tè", dice il ricercatore dell'Empa Konstantin Egorov. Anche le parti che non entrano in contatto con il nucleo altamente acido si corrodono. Anche piccole quantità di metalli disciolti nell'acqua ultrapura che fluisce nel dispositivo per essere elettrolizzata ne compromettono le prestazioni e la durata.
I componenti per il trasporto dell'acqua e dei gas risultanti all'interno dell'elettrolizzatore sono quindi realizzati in titanio, materiale costoso e difficile da lavorare. Ma anche questo non è sufficiente: Per evitare che il titanio si ossidi e riduca l'efficacia del dispositivo, i componenti devono essere rivestiti con il prezioso metallo platino, il che aumenta ulteriormente i costi.
Lo scienziato dei materiali Egorov sta cercando un modo per sostituire il costoso rivestimento in platino, pur garantendo la necessaria protezione dalla corrosione. A tal fine, sta utilizzando una forma speciale di ossido di titanio nota come rutilo altamente cristallino con carenza di ossigeno. Questo ossido manca di atomi di ossigeno in alcuni punti, il che conferisce al materiale una buona conduttività, mentre la sua struttura altamente cristallina determina un'elevata resistenza alla corrosione: esattamente i prerequisiti giusti per l'elettrolisi PEMWE. I ricercatori stanno inoltre sostituendo il materiale portante in titanio con l'acciaio. "Oltre a essere più economici, i componenti in acciaio sono molto più facili da produrre, il che consente agli ingegneri di creare progetti più avanzati che migliorano le prestazioni della cella", spiega Egorov. Grazie al robusto rivestimento, l'ambiente corrosivo non dovrebbe più essere in grado di danneggiare il materiale.
Pensare alla produzione industriale fin dall'inizio
I primi risultati mostrano l'elevata resistenza alla corrosione dell'innovativo rivestimento. "Siamo riusciti a sviluppare un metodo per rivestire con successo il primo componente dell'elettrolizzatore PEMWE, la cosiddetta piastra bipolare, con ossido di titanio", spiega Egorov. Il metodo utilizzato dallo scienziato dell'Empa si chiama deposizione fisica da vapore (PVD) ed è ampiamente utilizzato nell'industria. "Per noi è importante sviluppare qualcosa che l'industria possa effettivamente utilizzare", sottolinea il ricercatore.
I componenti che Egorov produce all'Empa sono sottoposti a test di corrosione approfonditi dai suoi partner, prima in condizioni di laboratorio e poi in un elettrolizzatore funzionante. La piastra bipolare ha già superato con successo i test. Successivamente, i ricercatori vogliono rivestire un altro componente chiave con l'ossido di titanio, il cosiddetto strato di trasporto poroso.
"Il rivestimento di materiali porosi pone molte sfide", spiega Egorov. I pori devono essere rivestiti in modo uniforme, in modo che il materiale sottostante non si corroda, ma allo stesso tempo non devono ostruirsi". L'esperto di rivestimenti è fiducioso che questo obiettivo possa essere raggiunto. Il progetto durerà fino al 2026, dopodiché i ricercatori dell'Empa sperano di coinvolgere partner industriali per sviluppare l'innovativa tecnologia verso la commercializzazione.
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