Energia
Generare Idrogeno dividendo l’Acqua con Swarf incorporato
Costi dell’Idrogeno e dell’Elettrolisi
L’idrogeno è un combustibile promettente per un’economia verde, dal trasporto allo stoccaggio di energia, e potrebbe essere l’unica alternativa realistica a zero emissioni di carbonio per molte industrie come la navigazione e il volo.
Un fattore chiave che ha frenato l’emergere dell’economia dell’idrogeno è il costo, in particolare il costo della produzione di idrogeno.
L’idrogeno verde (da energia rinnovabile) è prodotto principalmente tramite elettrolisi, che richiede molta energia e catalizzatori. Tali catalizzatori tendono a essere costosi, basandosi nella maggior parte dei casi su metalli come il platino. Più platino viene utilizzato, più costoso è l’elettrolizzatore.
Non solo i metalli come il platino sono costosi, ma sono anche estremamente rari e sarebbero in scarsa disponibilità se l’idrogeno fosse adottato su larga scala come fonte di energia.
Quindi, è stata una notizia importante che i ricercatori hanno annunciato una drastica riduzione della quantità di catalizzatore necessaria per l’elettrolisi.
“Siamo in grado di produrre idrogeno dall’acqua usando solo un decimo della quantità di platino rispetto ai catalizzatori commerciali all’avanguardia.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Ricercatore post-dottorato presso l’Università di Nottingham.
Elettrolisi Economica con Swarf (Scarto di Metallo)
Questa scoperta è stata fatta da ricercatori dell’Università di Nottingham, Regno Unito, e pubblicata sul Journal of Material Chemistry, con il titolo “Da scarto di metallo a elettrodi altamente efficienti: sfruttare la superficie nanotessuta del swarf per l’utilizzo efficace di Pt e Co nella produzione di idrogeno”.
I risultati iniziali provengono dall’analisi del swarf a livello nanometrico. Il swarf è una spirale di scarto di metallo generata come rifiuto durante la lavorazione di metalli come acciaio inossidabile, titanio o leghe di nichel. Le industrie nel Regno Unito da sole generano milioni di tonnellate di rifiuti metallici all’anno.
Fonte: Nottingham University
Analizzando questi swarf con un microscopio elettronico, i ricercatori hanno scoperto che, contrariamente a una superficie liscia, questi prodotti di scarto metallico presentavano scanalature e creste larghe solo pochi decine di nanometri.
Queste strutture molto complesse e le enormi superfici di contatto le renderebbero substrati ideali per gli elettrocatalizzatori usati nell’elettrolisi per la produzione di idrogeno.
Pioggia Magnetica di Platino sui Swarfs
Per aggiungere atomi di platino al swarf, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata magnetron sputtering. Questa è una tecnica usata nella produzione di semiconduttori per depositare un film ultra-sottile di metallo, grazie a potenti campi magnetici.
Fonte: Korvus Tech
Questo metodo “piove” atomi di platino sul swarf, depositandoli nelle scanalature e creste di dimensioni nanometriche.
“Distribuendo solo 28 microgrammi del metallo prezioso su 1 cm² di swarf, siamo riusciti a creare un elettrolizzatore su scala di laboratorio che opera con il 100% di efficienza e produce 0,5 litri di gas idrogeno al minuto solo da un singolo pezzo di swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Ricercatore post-dottorato presso l’Università di Nottingham.
Questo metodo ha permesso la creazione di 2 tipi di elettrocatalizzatori per la generazione di idrogeno:
- Swarf di titanio con atomi di platino come catalizzatore, per la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HES).
- Swarf di nichel con atomi di cobalto come catalizzatore, per la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER)
I ricercatori di Nottingham stanno ora collaborando con l’azienda AqSorption per scalare la tecnologia.
Unire le Innovazioni sull’Idrogeno
Nuovi Paradigmi di Catalizzatore
La costruzione dell’economia dell’idrogeno richiederà che ogni fase della catena di produzione e distribuzione dell’idrogeno diventi il più efficiente possibile.
Fino a poco tempo fa, la rarità e l’alto costo dei catalizzatori a base di platino e cobalto rendevano necessario scoprire catalizzatori alternativi. Per esempio, abbiamo discusso la possibilità di usare nanorod di nichel in “Avanzamenti nella Produzione di Idrogeno con Elettrolisi a Base di Nichel” e catalizzatori alternativi come rutenio, silicio e tungsteno (RuSiW) in “L’Idrogeno Verde Destinato a Sostituire il Grigio mentre i Nuovi Elettrocatalizzatori Rendono la Produzione Economica”.
La scoperta dell’uso del swarf potrebbe eliminare la necessità di tali nuovi catalizzatori.
Forse queste innovazioni potrebbero essere combinate per creare nuovi tipi di catalizzatori ancora più efficienti. In alternativa, ora che la quantità di platino richiesta può essere ridotta di 10 volte, l’uso di nanorod di platino per raggiungere livelli ultra-alti di efficienza catalitica potrebbe essere un’opzione.
Idrogeno: Tecnologia in Miglioramento & Ammoniaca
Questo probabilmente si combinerà con altre innovazioni, come lo stoccaggio più efficiente dell’idrogeno discusso in “L’Idrogeno è appena diventato più attraente come Fonte di Energia grazie a una Svolta nella Contenimento“. La conversione efficiente dell’idrogeno in energia, come discusso in “Le Celle a Batteria sono Solo Precursori delle Celle a Combustibile a Idrogeno? La Vera Prossima Generazione di Veicoli Elettrici?”.
Infine, l’elettrolisi ad alta efficienza e a basso costo, lo stoccaggio e l’utilizzo dell’idrogeno potrebbero essere combinati con l’uso massivo dell’ammoniaca come combustibile, trasporto e forma di stoccaggio a lungo termine dell’idrogeno, come discusso in “Decarbonizzare le Rotte Marittime Globali tramite Ammoniaca Verde” e “La Produzione di Ammoniaca è Fortemente Dannosa per l’Ambiente – Gli Ingegneri Hanno Appena Sviluppato un Metodo più Pulito”.
Aziende Focalizzate sull’Idrogeno
1. Sibanye Stillwater
(SBSW )
L’uso del swarf per la produzione di idrogeno potrebbe aumentare drasticamente la fattibilità dell’adozione di massa dell’idrogeno verde rendendo l’elettrolisi a base di platino economicamente sostenibile.
Questo potrebbe rappresentare una spinta enorme al mercato del platino, che negli ultimi anni è stato sotto pressione.
Una parte chiave della sottoperformance del platino è stata dovuta alla sua forte dipendenza dalla domanda di convertitori catalitici in auto e camion a combustibile. Con il mondo che si sta orientando verso i veicoli elettrici, ciò ha messo in dubbio la sostenibilità della domanda di questo metallo.
Fonte: Sibanye Stillwater
In alternativa, se l’elettrolisi a base di platino usando scarto metallico dell’industria aerospaziale diventasse un pilastro dell’economia dell’idrogeno, la domanda di platino per i decenni a venire sarebbe assicurata.
La sudafricana Sibanye Stillwater è uno dei più grandi produttori di platino al mondo. Il paese produce l’80% del platino mondiale, e Sibanye Stillwater è responsabile di un quarto di quella produzione.
Fonte: Mining Technology
È anche produttore di elementi del gruppo dei metalli del platino come palladio, rodio e rutenio. Attualmente sta diversificando per entrare nei mercati dell’oro e dei metalli per batterie.
Fonte: Sibanye Stillwater
Il mercato del platino è stato controllato dal dibattito sull’adozione dei veicoli elettrici rispetto ai motori a combustione interna (ICE). Con l’innovazione rapida nell’uso dell’elettrolisi di platino e di altri elementi del gruppo dei metalli del platino, questo potrebbe cambiare.
Il platino è anche richiesto nella maggior parte dei progetti di celle a combustibile che convertono l’idrogeno in elettricità. Quindi, nel complesso, i progressi nella tecnologia dell’idrogeno, inclusa l’elettrolisi basata su swarf ma non solo, dovrebbero avvantaggiare i minatori focalizzati sul platino come Sibanye Stillwater.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLDP )
Ballard è un produttore di celle a combustibile e un pioniere della tecnologia con il suo primo autobus a celle a combustibile prodotto nel 1993.
L’azienda è focalizzata sui mercati pesanti: autobus, camion, treni/tram, navi, miniere/costruzioni e energia. Sebbene gli autobus siano il nucleo dell’attività, l’azienda prevede che entro il 2025 i camion diventeranno un segmento di business importante. Prevede inoltre che l’Europa rimarrà il suo mercato principale (50-60%), seguita dal Nord America (25%).
Le celle a combustibile per camion dovrebbero continuare a crescere e rappresentare un mercato da 7,5 miliardi di dollari nel 2030 (da un TAM di 195 miliardi), quasi grande quanto tutte le altre applicazioni di idrogeno/celle a combustibile messe insieme. Questa crescita potrebbe accelerare se i prezzi di produzione dell’idrogeno diminuissero grazie a nuove tecnologie.
Fonte: Ballard
A causa della maggiore potenza richiesta e della necessità di ricarica rapida, i veicoli pesanti sono stati un buon mercato per l’idrogeno e le celle a combustibile rispetto a veicoli più leggeri come le auto. Riduce anche la necessità di cavi aeree per ferrovie e autobus a pantografo, e di ricariche rapide per trasporti a lunga distanza.
Fonte: Ballard
L’azienda non è estranea all’ammoniaca, ad esempio con un recente contratto con Amogy per fornire celle a combustibile per la sua “piattaforma ammoniaca‑to‑energia che si basa su una tecnologia unica di cracking dell’ammoniaca”.
Mentre i veicoli elettrici hanno una buona possibilità di prendere rapidamente il mercato delle auto, i veicoli più pesanti sono più difficili da decarbonizzare. Con la sua leadership consolidata nel settore, Ballard sarebbe un beneficiario primario di una spinta politica verso un’economia dell’idrogeno.
La produzione di idrogeno sta diventando rapidamente più economica grazie ai progressi nei catalizzatori che riducono meccanicamente il costo dei carburanti per veicoli a idrogeno. Con l’aumento dei prezzi del petrolio a causa delle tensioni geopolitiche e delle crescenti tasse sul carbonio, questo potrebbe inclinare la bilancia a favore dell’idrogeno, soprattutto per veicoli che richiedono molta potenza e percorrono molti chilometri (camion, autobus, ecc.).
