Progressi nella Produzione di Idrogeno con Elettrolisi a Base di Nichel

Avanzare con l’Elettrolisi per la Produzione di Idrogeno

L’idrogeno è considerato un serio candidato per sostituire i combustibili fossili. Questo è vero nei trasporti, grazie alle celle a combustibile, e nei processi industriali dove l’alta temperatura di combustione dell’idrogeno può sostituire carbone e gas naturale quando l’elettrificazione non è un’opzione.

Un problema è che l’idrogeno non si trova spesso in depositi naturali facilmente accessibili come il gas naturale. Invece, deve essere generato artificialmente, con l’elettrolisi che è il metodo più comunemente usato.

L’elettrolisi è la scomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Tra i problemi del modo in cui l’elettrolisi è attualmente eseguita vi sono la bassa efficienza (spreco di energia) e gli alti costi, principalmente a causa di catalizzatori costosi come il platino.

Un team di ricerca coreano potrebbe aver trovato un modo per aumentare l’efficienza e sostituire i catalizzatori costosi con nichel molto più economico e abbondante.

Nanoarray di Nichel che Incrementano la Produzione di Idrogeno

I ricercatori del team del Professor Jong Kyu Kim presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della POSTECH (Pohang University, Korea) hanno cercato di risolvere un problema importante dell’elettrolisi dell’idrogeno.

Source: POSTECH

Il problema è che, una volta prodotto, l’idrogeno rimane “incollato” al catalizzatore, impedendogli di raggiungere più acqua e continuare a funzionare. Questo diminuisce l’efficienza, aumentando l’energia necessaria e richiedendo alla fine catalizzatori più costosi del necessario.

Invece, il Prof. Jong Kyu Kim e il suo team hanno creato protrusioni di nanorod di nichel finemente lavorate, non completamente allineate verticalmente. La nanostruttura e l’angolo inclinato dei bastoncini di nichel mostrano quella che viene definita “super-aerofobicità”, facendo sì che le bolle di idrogeno si stacchino più facilmente.

Questo, a sua volta, libera lo spazio affinché l’acqua possa raggiungere il catalizzatore e permette un’elettrolisi più efficiente.

Source: POSTECH

Ciò può aumentare drasticamente l’efficienza del processo, con un notevole miglioramento di 55 volte nell’efficienza di produzione di idrogeno rispetto a una quantità equivalente di nichel in una tradizionale struttura a film sottile.

Espandere Oltre i Catalizzatori a Base di Nichel

La tecnologia utilizza nanorod di nichel ma non deve essere limitata a questo metallo. Infatti, questo metallo con nanorod obliqui che riducono l’adesione dell’idrogeno può teoricamente essere usato con qualsiasi altro catalizzatore. Quindi, cosa significa per le prospettive dell’idrogeno?

Elettrolisi Migliore

Attualmente, la maggior parte dell’idrogeno prodotto nel mondo proviene dal gas naturale. Questo è economicamente più redditizio, ma vanifica lo scopo di produrre idrogeno per ridurre le emissioni di carbonio.

Per ottenere un idrogeno veramente a impatto zero, produrlo a partire dall’elettricità generata da fonti rinnovabili è la strada da percorrere, solitamente chiamata “idrogeno verde”.

Qualsiasi metodo che possa ridurre il costo complessivo della catena di approvvigionamento dell’idrogeno verde è un passo più vicino a renderlo un’alternativa praticabile ai combustibili fossili.

Ciò potrebbe valere per i catalizzatori “classici” ad alta efficienza e alto costo a base di platino, forse in combinazione con i bastoncini di nichel.

Potrebbe anche essere possibile vederlo applicato ad altri catalizzatori per elettrolisi recentemente scoperti e convenienti, come il rutenio, il silicio e il tungsteno (RuSiW) di cui abbiamo parlato nel nostro articolo “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective”.

Catena di Fornitura dell’Idrogeno Migliore

L’elettrolisi è anche solo uno dei passaggi che può essere migliorato per rendere l’idrogeno un elemento fondamentale dei nostri sistemi energetici.

Ad esempio, celle a combustibile migliori potrebbero rendere i veicoli a idrogeno forti concorrenti delle auto elettriche, come discusso nel nostro articolo “Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?”.

E soluzioni di stoccaggio su larga scala più efficienti possono rendere l’idrogeno molto più facile da gestire e distribuire, come discusso nel nostro articolo “Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough”.

Altre Applicazioni Potenziali

L’uso di nanorod inclinati per creare super-aerofobicità potrebbe avere applicazioni oltre l’idrogeno.

Il primo effetto è che, con una produzione di idrogeno economica ed efficiente, si ottiene una produzione di ammoniaca altrettanto efficiente. L’ammoniaca presenta alcuni vantaggi significativi rispetto all’idrogeno per applicazioni come carburante per la navigazione, come discusso in “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Il Professor Jong Kyu Kim ha anche menzionato che la tecnologia dei nanorod potrebbe beneficiare altri processi chimici che coinvolgono gas.

“Migliorando l’efficienza del processo di elettrolisi dell’acqua per la produzione di idrogeno verde, stiamo avanzando verso un’economia dell’idrogeno e una società a impatto zero di carbonio.

Questa scoperta beneficia l’elettrolisi dell’acqua e promette varie altre applicazioni di energia rinnovabile dove le reazioni di superficie giocano un ruolo cruciale, come la riduzione dell’anidride carbonica e i sistemi di conversione dell’energia luminosa.”

Quindi questa innovazione potrebbe andare oltre l’idrogeno e avere un impatto serio sulla cattura del carbonio e sulla fotosintesi artificiale, un’idea che abbiamo iniziato a esplorare in “Artificial Photosynthesis and Biodegradability: Combating Plastic Menace with Sustainability in Mind”.

Azende di Soluzioni per l’Idrogeno

1. Aker Horizons ASA

La scoperta su come utilizzare i nanorod di nichel è solo l’ultima di una serie di innovazioni che aumentano le prospettive dell’idrogeno come combustibile alternativo e soluzione di stoccaggio energetico. Pertanto, potrebbe essere vantaggioso avere un’esposizione diversificata a tutte le fasi della catena di approvvigionamento dell’idrogeno.

Aker Horizons è una controllata del gruppo Aker, che è incentrato sull’energia verde. Il gruppo Aker è un importante conglomerato norvegese focalizzato su energie rinnovabili e attività marine/offshore. Aker Horizons è la holding di diverse controllate, tra cui cattura del carbonio, idrogeno verde e energie rinnovabili.

Source: Aker

L’azienda è particolarmente attiva nella generazione di idrogeno e ammoniaca verde, con l’obiettivo di decarbonizzare la navigazione artica, soprattutto in Norvegia.

Aker Horizons può gestire l’intera integrazione verticale dell’idrogeno verde & ammoniaca, dalle turbine eoliche offshore alla generazione di idrogeno fino alla produzione di ammoniaca verde.

Sta inoltre lavorando a progetti come il recupero di energia da rifiuti in Francia, un impianto di biomassa in Germania e la cattura del carbonio in Medio Oriente (Arabia Saudita e UAE).

Ciò lo rende un’azione interessante per gli investitori che cercano esposizione al settore dell’energia verde in generale, con una forte posizione sull’ammoniaca verde e la navigazione, ma anche su altre energie verdi e con una certa diversificazione geografica.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Non siamo ancora sicuri di quale sarà il mercato principale per l’idrogeno. Potrebbe essere la generazione di energia e il carburante per auto, ma potrebbe anche rimanere confinato a compiti più gravosi che sono più difficili da elettrificare.

Ballard è un produttore di celle a combustibile e un pioniere della tecnologia con il suo primo autobus a celle a combustibile nel 1993.

L’azienda è focalizzata sui mercati pesanti: autobus, camion, treni/tram, navi, estrazione/costruzione e energia. Sebbene gli autobus siano stati il fulcro dell’attività, l’azienda prevede che entro il 2025 i camion diventeranno un segmento commerciale importante. Prevede inoltre che l’Europa rimanga il suo mercato principale (50‑60 %), seguita dal Nord America (25 %).

Si prevede che le celle a combustibile per i camion continueranno a crescere e rappresenteranno un mercato da 7,5 miliardi di dollari nel 2030 (da un TAM di 195 miliardi di dollari), 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 come l’elettrolisi migliorata e più economica.

Source: 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 inoltre la necessità di cavi a catena per ferrovie e filobus.

Source: Ballard

L’azienda non è estranea all’ammoniaca, ad esempio con un contratto recente con Amogy per fornire celle a combustibile per la sua “piattaforma ammonia‑to‑power che si basa su una tecnologia unica di cracking dell’ammoniaca”.

Mentre i veicoli elettrici hanno una buona possibilità di conquistare rapidamente il mercato delle auto, i veicoli più pesanti sono più difficili da decarbonizzare.

Con la sua consolidata leadership nel settore, Ballard sarebbe un principale beneficiario di una spinta politica verso un’economia dell’idrogeno, così come della rapida diminuzione dei costi di produzione dell’idrogeno grazie all’elettrolisi a base di nichel.