Produzione efficiente di idrogeno e prodotti chimici
Premio Joseph von Fraunhofer 2026 per un innovativo stack per l'elettrolisi ad alta temperatura
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L'idrogeno verde è considerato una tecnologia chiave per la decarbonizzazione dell'industria. Finora, tuttavia, alcune carenze in termini di efficienza produttiva, costi e scalabilità ne hanno impedito la diffusione su larga scala. Mihails Kusnezoff, Stefan Megel e Sindy Mosch dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie e i Sistemi Ceramici IKTS hanno sviluppato una pila elettrolitica ad alta temperatura che sta definendo nuovi standard a livello mondiale: genera idrogeno con un'efficienza senza precedenti, può funzionare anche come cella a combustibile ed è progettata per la produzione in serie su scala industriale. Questa tecnologia ha valso ai tre ricercatori il Premio Joseph von Fraunhofer per il 2026.
L'elettrolisi ad alta temperatura è un processo altamente efficiente per la produzione di idrogeno che prevede la scissione del vapore acqueo in idrogeno e ossigeno in una cella elettrolitica. Il vantaggio principale: le temperature elevate consentono di utilizzare il calore residuo industriale come fonte diretta di energia per la reazione. Ciò riduce il consumo di costosa energia elettrica, accelera le reazioni elettrochimiche e migliora significativamente l'efficienza complessiva.
Un nuovo approccio scientifico e metodologico del Fraunhofer IKTS
I ricercatori del Fraunhofer IKTS hanno dedicato più di due decenni al perseguimento di un obiettivo estremamente ambizioso: rendere le celle a combustibile e gli elettrolizzatori ad alta temperatura così potenti, robusti ed economici da non solo sostenere la transizione energetica, ma anche accelerarla in modo significativo. "Il nostro obiettivo fin dall'inizio era quello di costruire un ponte tra elettroni e molecole", afferma Mihails Kusnezoff, capo del dipartimento Materiali e Componenti e responsabile del settore Energia presso il Fraunhofer IKTS. L'approccio del team del Fraunhofer IKTS differisce in modo significativo da quello di molti concorrenti: invece di sviluppare concetti separati per elettrolizzatori e celle a combustibile, i ricercatori hanno creato un sistema in grado di funzionare in entrambe le modalità. Si è trattato di una sfida importante, come spiega Kusnezoff: “Mentre il funzionamento delle celle a combustibile richiede bassa resistenza e tensioni elevate, l’elettrolisi richiede stabilità a lungo termine e un funzionamento praticamente termoneutro con gradienti di temperatura minimi”.
Uno stack versatile adatto alla produzione di massa
In laboratorio, i ricercatori hanno sviluppato nuovi materiali per elettroliti ed elettrodi e ottimizzato le microstrutture al fine di costruire celle ad alte prestazioni. “È solo combinando più celle che otteniamo quello che viene chiamato stack. Questo è il cuore del sistema e facilita il ridimensionamento necessario per produrre idrogeno in quantità industriali”, spiega Sindy Mosch, ricercatrice e membro del gruppo di lavoro “Materiali per sistemi stampati” presso il Fraunhofer IKTS. La svolta tecnica è stata infine raggiunta grazie a una combinazione di innovazione dei materiali, ottimizzazione del design e un’attenzione costante all’industrializzazione. «Abbiamo dovuto imparare a considerare gli effetti elettrochimici, termici e meccanici come un sistema integrato. Solo coordinando con precisione microstruttura, comportamento di sinterizzazione e strati protettivi siamo stati in grado di sviluppare una cella in grado di funzionare in modo affidabile per anni sia nelle condizioni estreme dell’elettrolisi che in modalità cella a combustibile», afferma Sindy Mosch.
Lo stack del Fraunhofer IKTS funziona in modo affidabile in un ampio intervallo di temperatura compreso tra 750 °C e 850 °C, un fattore che gioca un ruolo fondamentale nella durata di vita di un elettrolizzatore. All’interno di questo intervallo di temperatura, è possibile non solo convertire il vapore acqueo e la CO₂ in gas di sintesi tramite elettrolisi, ma anche utilizzare una varietà di combustibili come gas naturale, biogas, metanolo, etanolo e persino ammoniaca verde in modalità cella a combustibile per la produzione di energia.
Dal laboratorio alla fabbrica: produzione pilota ad Arnstadt
Allo stesso tempo, il team ha affrontato la questione del potenziamento su scala industriale riprogettando la piastra bipolare metallica in modo che potesse essere prodotta in modo efficiente con un'unica operazione di stampaggio, oltre a sviluppare processi di rivestimento scalabili per elettrodi e strati di contatto/protezione. "Per noi una cosa era chiara: la tecnologia può contribuire alla transizione energetica solo se funziona in fabbrica e non solo in laboratorio", sottolinea Stefan Megel, responsabile del gruppo Ceramic Energy Converters presso il Fraunhofer IKTS.
La maturità industriale della tecnologia ha impressionato anche gli operatori del settore: thyssenkrupp nucera ha identificato lo stack di nuova concezione come una soluzione particolarmente efficiente e promettente nel campo dell’elettrolisi ad alta temperatura. In soli 14 mesi, il Fraunhofer IKTS ha realizzato una linea di produzione pilota parzialmente automatizzata nella sua sede di Arnstadt, gettando così le basi per un ulteriore potenziamento insieme al suo partner industriale thyssenkrupp nucera. "La fase pilota ha dimostrato che i nostri stack combinano l'eccellenza scientifica con una produzione scalabile ed economica fino al livello dei gigawatt", afferma Stefan Megel.
Tecnologia chiave per la decarbonizzazione industriale
Lo sviluppo degli stack presso il Fraunhofer IKTS non solo ha stabilito nuovi standard di efficienza e versatilità tecnologica, ma sta anche aprendo la strada all’uso industriale dell’elettricità e del calore residuo per la produzione altamente efficiente di idrogeno e gas di sintesi. Il team del Fraunhofer IKTS contribuisce così direttamente alla transizione energetica globale, rafforzando al contempo la competitività della Germania come polo industriale.
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