Science, idrogeno ancora troppo caro, urgente spinta tecnologica

Roma – Per far sì che l’idrogeno (H2) svolga un ruolo decisivo nella transizione energetica, il prezzo del gas deve scendere ulteriormente e in maniera consistente, un risultato che si può ottenere  puntando in particolar modo sulla ricerca tecnologica. È quanto emerge da un articolo della prestigiosa rivista “Science”. L’idrogeno è spesso pubblicizzato come il futuro dell’energia green, e il motivo è chiaro. Quando viene bruciato o fatto passare attraverso una cella a combustibile, il combustibile produce solo acqua come residuo, non anidride carbonica (CO2 ) . È abbastanza ricco di energia da far funzionare autoarticolati, navi cargo e altri veicoli pesanti che sono difficili da alimentare con le batterie. E per molti processi industriali che richiedono reazioni ad alta temperatura, come la produzione di fertilizzanti e la fabbricazione di acciaio, l’idrogeno è fondamentalmente l’unica alternativa ai combustibili fossili. Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia, il mondo deve sfornare più di 300 milioni di tonnellate di idrogeno da fonti rinnovabili all’anno se vuole avere una possibilità di limitare il riscaldamento globale a 1,5 °C entro il 2050. Eppure oggi, gli impianti di idrogeno green in funzione, principalmente in Europa e Cina, producono solo 1 milione di tonnellate all’anno. La produzione è scarsa in particolar modo perché l’idrogeno da fonti rinnovabili è troppo caro. Il costo dell’idrogeno green è già sceso nell’ultimo decennio da circa 10 dollari al chilogrammo di idrogeno (equivalenti a 10 dollari per 3,5 litri di benzina) a circa 5 dollari al chilogrammo ad oggi. Ma non è ancora abbastanza. Nel 2021, gli USA hanno lanciato il programma “Earthshot” con l’obiettivo di abbassare il prezzo a 2 dollari al chilogrammo nel 2026 e 1 dollari al chilogrammo entro il 2031, punto in cui potrebbe competere con l’idrogeno prodotto da fonti non rinnovabili. Ma per arrivare a quella soglia è necessaria una forte spinta tecnologica. Oggi, diverse tecnologie di elettrolizzatori stanno gareggiando per rendere sostenibile il mercato dell’idrogeno. La versione più comune e commercialmente matura è nota come elettrolizzatore ad acqua alcalina (AWE). Funziona un po’ come una batteria. Due elettrodi separati da una membrana porosa sono immersi in acqua contenente un elettrolita che favorisce il movimento degli ioni. L’elettricità immessa nel catodo caricato negativamente divide le molecole d’acqua in molecole di idrogeno e ioni idrossido caricati negativamente. Gli ioni idrossido vengono trascinati attraverso la membrana verso l’anodo caricato positivamente, dove reagiscono per formare ossigeno e una quantità minore di acqua. La membrana rallenta la commistione di idrogeno e ossigeno, che altrimenti potrebbero combinarsi in modo esplosivo. Decine di tali celle sono impilate una accanto all’altra per creare l’elettrolizzatore complessivo. Il vantaggio principale di un AWE è che i catalizzatori che rivestono gli elettrodi per accelerare la scissione dell’acqua possono essere economici, come nichel e acciaio inossidabile. Ma l’approccio ha dei limiti. Se la corrente erogata cala bruscamente, come può accadere con fonti di energia rinnovabili intermittenti, l’idrogeno in eccesso può diffondersi attraverso la membrana fino all’anodo che produce ossigeno, creando un rischio di esplosione. Un altro problema: gli elettrodi di un AWE in genere possono gestire solo correnti relativamente piccole. Ciò significa che gli elettrodi devono essere grandi. Modifiche innovative potrebbero aiutare. In un AWE standard, ad esempio, i gas prodotti tendono a formare bolle sugli elettrodi, che impediscono la scissione di ulteriori molecole d’acqua. Ma nel 2022, Gerhard Swiegers, un chimico dell’Università di Wollongong, e i suoi colleghi hanno ideato un nuovo design che si basa su una membrana con un design capillare che trasporta acqua ed elettrolita dal fondo della cella fino agli elettrodi su entrambi i lati. Poiché gli elettrodi non sono immersi nel liquido, le bolle non sono più un problema. Il design consente inoltre di deviare i gas non appena vengono prodotti, riducendo il rischio di esplosione. Swiegers ha co-fondato la startup Hysata, che ha costruito prototipi in scala di laboratorio che dimostrano l’efficienza superiore delle membrane capillari. Mentre la maggior parte degli AWE richiede da 50 a 53 kilowattora (kWh) di elettricità per produrre 1 chilogrammo di idrogeno, i dispositivi di Hysata ne richiedono solo 41,5 kWh, superando già un obiettivo di efficienza fissato per il 2050 dall’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili. A maggio 2024, l’azienda ha annunciato di aver raccolto 111 milioni di dollari per ampliare la tecnologia. Se la cella alcalina è l’attuale regina della tecnologia degli elettrolizzatori, allora la membrana a scambio protonico (PEM) è la sfidante adolescente. Nelle celle PEM, l’azione è invertita, non iniziando dal catodo, ma dall’anodo, che estrae elettroni dalle molecole d’acqua per dividerle in molecole di ossigeno e protoni. I protoni viaggiano attraverso una membrana fino al catodo dove incontrano elettroni forniti da elettricità rinnovabile per creare molecole di idrogeno. La differenza fondamentale rispetto agli AWE è la membrana. Non è un separatore poroso, ma un polimero denso e solido, composto da molecole simili a spaghetti con appendici chimiche che trasferiscono facilmente i protoni attraverso la membrana come una brigata di secchi. La membrana non richiede elettrolita liquido e riduce il crossover di idrogeno. Oltre a tutto ciò, i progetti PEM possono in genere gestire correnti più grandi e più variabili. Ciò si traduce in elettrolizzatori più piccoli e potenzialmente più economici che possono produrre la stessa quantità di idrogeno. Ma gli elettrolizzatori PEM hanno anche i loro lati negativi. Una potenza elettrica più elevata devasta la maggior parte dei catalizzatori metallici. Un’ulteriore corrosione deriva dai protoni, che creano punti caldi altamente acidi. Per resistere a queste condizioni, gli elettrodi PEM sono rivestiti in catalizzatori durevoli realizzati con iridio, un metallo estremamente raro che costa il doppio dell’oro. La durabilità a lungo termine è anche la sfida principale per un terzo tipo di separatore d’acqua, gli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEM). Questi dispositivi emergenti tentano di fondere le migliori caratteristiche dei design AWE e PEM. Come gli AWE, trasportano gli ioni idrossido prodotti al catodo attraverso una membrana all’anodo e non hanno bisogno di catalizzatori di metalli preziosi o di una membrana a base di fluoro. Ma come i dispositivi PEM, gli AEM utilizzano membrane solide, progettate per condurre ioni idrossido anziché protoni. La combinazione potrebbe renderli più economici e in grado di gestire la fornitura di elettricità variabile da fonti rinnovabili. Il problema è che i catalizzatori che formano ossigeno all’anodo promuovono anche reazioni che “rosicchiano” le membrane, causandone la rottura in settimane o mesi. Ma molti laboratori stanno esplorando modi per aumentare la durata delle membrane. Enapter, con sede in Germania, ad esempio, aggiunge all’acqua un elettrolita liquido, creando un ambiente che previene la corrosione. Il CEO di Enapter, Jürgen Laakmann, ritiene che la modifica consentirà alle membrane di durare per un decennio. (30Science.com)