Idrogeno verde dall'acqua di mare
Elettrolisi con acqua di mare non trattata: il Fraunhofer testa materiali e membrane
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L'acqua di mare e l'acqua salmastra potrebbero fungere da fonti idriche alternative per la produzione di idrogeno. La sfida consiste nel fatto che gli elettrolizzatori convenzionali richiedono acqua di elevata purezza, che a sua volta necessita di un trattamento approfondito. Nell’ambito del progetto SeaEly, l’Istituto Fraunhofer per i sistemi eolici (IWES) e l’Istituto Fraunhofer per le tecnologie di produzione e i materiali avanzati (IFAM) hanno studiato l’idoneità dell’acqua di mare e dell’acqua salmastra alla produzione di idrogeno, nonché le infrastrutture di prova e valutazione necessarie.
L’utilizzo diretto dell’acqua di mare o dell’acqua salmastra è particolarmente promettente per le applicazioni costiere e offshore. La conversione diretta dell’elettricità prodotta dalle turbine eoliche in idrogeno crea un vettore energetico immagazzinabile e trasportabile che può poi essere utilizzato come materia prima chimica, per l’approvvigionamento energetico o per la produzione di ammoniaca e combustibili sintetici. Coordinato dal Fraunhofer IWES, il progetto di ricerca congiunto SeaEly ha studiato l’elettrolisi diretta dell’acqua di mare e dell’acqua salmastra per la produzione di idrogeno e ossigeno da ottobre 2022 a marzo 2026 nell’ambito del concorso di idee «Hydrogen Republic of Germany». Oltre al Fraunhofer IWES e al Fraunhofer IFAM, hanno partecipato al progetto la Technische Universität Berlin, la Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG e l’Istituto di Economia Marittima e Logistica. Il progetto è stato finanziato dal Ministero Federale Tedesco della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR).
Meno trattamento, costi inferiori?
«L’idea era quella di determinare quale grado di purezza dovesse avere l’acqua di mare per poter essere utilizzata direttamente nell’elettrolisi senza sovraccaricare le apparecchiature», spiega Nadine Menzel, responsabile del gruppo di elettrochimica e analisi presso il Laboratorio dell’idrogeno Fraunhofer IWES di Leuna. SeaEly è stato progettato per determinare in che misura l’acqua di mare potesse sostituire l’acqua potabile e l’acqua di processo nell’elettrolisi. «Al Fraunhofer IFAM abbiamo sviluppato nuove membrane per l’elettrolisi dell’acqua di mare non trattata e le abbiamo testate su un banco di prova elettrochimico modulare», afferma Andreas Brinkmann, ricercatore presso il dipartimento di Ricerca sull’adesione e le interfacce del Fraunhofer IFAM.
Il banco di prova consente di sottoporre i materiali a una serie di condizioni operative e di analizzarli successivamente in dettaglio. Ciò permette di identificare depositi, alterazioni superficiali, corrosione e processi di invecchiamento. La combinazione tra sviluppo dei materiali e test fornisce quindi una solida base per valutare sistematicamente la resistenza dei componenti a diversi tipi di sollecitazioni.
Cosa accade durante l’elettrolisi
Nell’elettrolisi dell’acqua, una corrente elettrica scinde l’acqua in idrogeno e ossigeno. La membrana svolge un ruolo chiave in questo processo: separa le due camere di reazione consentendo al contempo il trasporto ionico necessario alla reazione elettrochimica. In parole semplici, agisce come un setaccio estremamente fine, lasciando passare determinati ioni e mantenendo i gas risultanti il più separati possibile.
Ciò diventa particolarmente impegnativo quando si utilizza l’acqua di mare. I cloruri e altri costituenti possono innescare reazioni collaterali, accumularsi sulle superfici o causare corrosione e invecchiamento. Brinkmann: «Maggiori sono le impurità contenute nel nostro elettrolita, più urgente diventa la domanda: quanto durerà ciascuno dei nostri componenti?»
Il Fraunhofer IFAM può approfondire questa questione utilizzando vari elettroliti e configurazioni di celle. Oltre alle misurazioni elettrochimiche, la microscopia elettronica a scansione, l’EDX, l’XPS e il TOF-SIMS forniscono analisi dettagliate dei materiali dopo i test. «Questo ci permette di valutare il tasso di usura», afferma Brinkmann.
«Allo stesso tempo, il Fraunhofer IWES ha sviluppato un banco di prova più grande e polivalente», spiega Menzel. «Può essere utilizzato per studiare e confrontare diverse tecnologie di elettrolisi e componenti di nuova concezione utilizzando acqua salmastra o salata, tra cui l’elettrolisi PEM, alcalina e AEM». I materiali promettenti possono quindi passare da piccole celle di prova a configurazioni più grandi. Ciò consente di valutare sia il comportamento dei materiali sia le interazioni tra più celle e altri componenti del sistema.
Prospettive: dalla fattibilità alla stabilità a lungo termine
Il progetto ha sviluppato banchi di prova e componenti per lo studio dell’elettrolisi con acqua di mare e acqua salmastra e ha condotto studi iniziali di fattibilità. L’infrastruttura così realizzata supporta ora test sistematici a lungo termine incentrati sull’invecchiamento, la corrosione, i depositi e gli effetti della composizione dell’elettrolita sulla durata dei componenti. Il Fraunhofer IFAM e il Fraunhofer IWES stanno già utilizzando i banchi di prova al di fuori del progetto, ad esempio per studiare fonti idriche alternative e valutare l’idoneità dei componenti per l’elettrolisi. I banchi di prova sono disponibili anche per progetti industriali e applicazioni esterne.
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