Sbloccare una Produzione Efficiente di Idrogeno per l’Energia Pulita

La crescita continua della popolazione e dell’economia mondiali ha portato a un notevole aumento della domanda di energia, di cui circa l’80% è soddisfatta dai combustibili fossili. Queste risorse non solo si stanno riducendo drasticamente, ma sono anche responsabili di un considerevole aumento dei gas serra (GHG) nell’ambiente.

Di conseguenza, ora c’è un interesse crescente per le fonti di energia rinnovabile, come il sole, il vento, l’acqua, la materia organica e il calore della Terra.

Derivate da risorse naturali che si rigenerano, le fonti di energia rinnovabile sono importanti per sistemi energetici puliti e sostenibili. Tuttavia, affrontano numerose sfide, tra cui disponibilità irregolare, alti costi iniziali, limitazioni geografiche e ampie esigenze di spazio.

Questo è dove entra in gioco l’idrogeno. La domanda globale di idrogeno è salita a 97 milioni di tonnellate (Mt) nel 2023, in aumento del 2,5% rispetto all’anno precedente. 

Il Ruolo dell’Idrogeno nella Transizione verso l’Energia Pulita

L’elemento più leggero dell’universo, l’idrogeno, è emerso come una soluzione promettente per raggiungere un ecosistema energetico più sostenibile grazie alla sua flessibilità e alla capacità di immagazzinare una quantità significativa di energia rispetto al suo peso.

Non è una fonte primaria come il sole, ma una secondaria, poiché deve essere prodotta da altre materie prime come acqua, gas naturale o biomassa.

Quando viene prodotta usando combustibili fossili come il gas naturale (che è attualmente il metodo più comune), l’idrogeno non è energia pulita, poiché genera emissioni annuali significative di CO2.

Tuttavia, quando viene utilizzato in una cella a combustibile, l’idrogeno produce solo vapore acqueo come sottoprodotto, rendendolo un combustibile pulito.

Come vettore energetico versatile, l’idrogeno può contribuire a risolvere diverse sfide energetiche critiche. Può supportare l’integrazione delle energie rinnovabili nel sistema elettrico immagazzinando energia per settimane o addirittura mesi.

L’idrogeno a basse emissioni prodotto con energia nucleare o rinnovabile, o con combustibili fossili usando la cattura del carbonio, può nel frattempo aiutare a decarbonizzare una serie di settori. L’industria pesante e il trasporto a lunga distanza, dove la riduzione delle emissioni è particolarmente difficile, possono trarne grandi benefici. Tuttavia, questa produzione di idrogeno svolge ancora un ruolo marginale, con meno dell’1% nel 2023.

L’idrogeno può effettivamente essere derivato da diverse tecnologie. Uno dei metodi più efficienti per produrre idrogeno sostenibile è l’elettrolisi dell’acqua. In questa elettrolisi ad alta intensità energetica, l’elettricità viene usata per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. La tecnologia è ben sviluppata e disponibile commercialmente, sebbene la sua efficienza energetica stimata sia intorno al 52%.

Un altro approccio è la plasmolisi, che ha mostrato un rendimento energetico pari all’elettrolisi, con il vantaggio aggiuntivo di un consumo energetico ridotto, costi principali più bassi e dimensioni dell’apparecchiatura più piccole. Recenti progressi nella microfluidica e nei micro-plasmi hanno reso la produzione di idrogeno tramite plasmolisi del vapore acqueo redditizia in termini di efficienza energetica.

Altri modi per derivare l’idrogeno per l’elettricità includono la fotocatalisi, il bioidrogeno e i processi termochimici.

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Mentre la tecnologia dell’idrogeno è promettente, il suo utilizzo diffuso affronta ancora difficoltà in termini di costo di produzione, efficienza e sostenibilità ambientale complessiva. Dato il bisogno di fonti energetiche più pulite, tuttavia, i ricercatori di tutto il mondo stanno costantemente cercando di risolvere questi problemi con nuovi materiali e tecnologie migliori.

Innovazioni nei Catalizzatori per Incrementare l’Efficienza dell’Idrogeno

Man mano che le tecnologie dell’idrogeno passano dal concetto alla commercializzazione, una delle sfide principali riguarda i materiali che rendono questi sistemi efficienti e scalabili. Per affrontare ciò, gli scienziati stanno lavorando su vari approcci.

Ad esempio, uno studio della sede centrale dell’Accademia Cinese delle Scienze, pubblicato¹ questo mese su Nature, ha introdotto un piccolo catalizzatore di ferro come alternativa al platino nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), con il potenziale di trasformare il futuro dell’energia pulita.

Le PEMFC sono dispositivi di energia pulita che producono elettricità da idrogeno e ossigeno, con l’acqua come unico sottoprodotto. Ma dipendono fortemente dal platino scarso e costoso come catalizzatore. Quindi, per favorire la loro adozione diffusa, i ricercatori hanno sviluppato un catalizzatore ad alte prestazioni a base di ferro per queste celle a combustibile.

Con il suo ingegnoso design “inner activation, outer protection”, il nuovo catalizzatore può raggiungere prestazioni eccellenti riducendo i sottoprodotti nocivi.

Mentre i catalizzatori Fe/N–C sono tra le alternative più promettenti ai catalizzatori a base di metalli del gruppo del platino, la loro attività e durata non soddisfano i criteri di prestazione. Pertanto, il team ha progettato e sviluppato un nuovo tipo di catalizzatore Fe/N–C composto da numerose nanoprotrusioni distribuite su strati di carbonio 2D con siti di atomi di Fe singoli incorporati nella superficie curva interna delle nanoprotrusioni.

Di conseguenza, il nuovo catalizzatore è stato in grado di offrire una delle migliori prestazioni PEMFC senza metalli del gruppo del platino, mantenendo l’86% di attività anche dopo oltre 300 ore di funzionamento continuo.

Un’altra tecnologia chiave per produrre idrogeno in modo climaticamente neutro tramite elettrolisi dell’acqua è l’elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM-WE).

Per accelerare la reazione desiderata, gli elettrodi sono rivestiti con elettrocatalizzatori speciali. Per l’anodo, i catalizzatori a base di iridio sono comunemente usati, soprattutto per la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) in ambiente acido.

L’OER è la fase di produzione di ossigeno del processo di scissione dell’acqua che genera energia idrogeno pulita, ma rimane una sfida inefficiente. Questa reazione è più efficace quando si impiegano catalizzatori a base di iridio.

Scoperto nel 1803, l’iridio non si trova in forma pura in natura ma viene recuperato commercialmente come sottoprodotto della produzione di platino, palladio, nichel o rame.

L’iridio è un metallo denso e duro che rimane inalterato ad aria, acqua e acidi. Grazie a queste proprietà, è usato nelle candele di accensione, apparecchiature scientifiche, catalizzatori, inchiostri conduttivi per l’elettronica e nella terapia contro il cancro.

Il metallo è raramente usato in forma pura a causa delle difficoltà di preparazione e fabbricazione; piuttosto, è impiegato sotto forma di leghe di platino.

L’iridio (Ir), tuttavia, è un metallo di alto valore e uno degli elementi più rari presenti nella crosta terrestre. I minerali contenenti iridio si trovano in Sudafrica, negli Stati Uniti (Alaska), in Brasile, Russia, Myanmar e Australia.

La sua scarsità, combinata con l’elevata domanda da parte di industrie come l’elettronica, lo rende molto costoso. L’iridio è in realtà più prezioso dell’oro, costando quasi 5.000 dollari l’oncia.

Quindi, ha senso che gli scienziati stiano costantemente cercando nuovi metalli per sostituire l’iridio al fine di favorire l’adozione su larga scala delle PEMWE. Tuttavia, la scoperta di alternative non a base di Ir è complessa e procede lentamente a causa del vasto spazio di progettazione coinvolto.

Qualche mese fa, uno studio² dell’Advanced Institute for Materials Research (AIMR) dell’Università di Tohoku ha dettagliato un nuovo catalizzatore cristallino poroso come soluzione efficiente e durevole per la produzione pulita di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua.

Il materiale in questo studio è un Co3O4 monocristallino mesoporoso dopato con iridio disperso atomicamente per l’OER acida.

La struttura spinel mesoporosa svolge un ruolo chiave, poiché consente un alto carico di Ir (13,8% in peso) senza la formazione di grandi aggregati di iridio. Oltre a fornire spazio per il carico di Ir, l’architettura aiuta anche a creare un ambiente stabile.

Il catalizzatore ha mantenuto le sue prestazioni per più di 100 ore con una sovratensione di soli 248 mV (η₁₀).

In un altro studio recente, i ricercatori hanno creato una “megalibrary” per esplorare l’attività catalitica di milioni di nanostrutture distinte composte da pochi metalli chiave, aiutando a cercare alternative ai catalizzatori di Ir per l’OER su larga scala e velocità.

Clicca qui per scoprire come i catalizzatori non nobili aprono la strada a un idrogeno accessibile.

Scoperta Rapida di Catalizzatori con la Nanotecnologia

Lo studio più recente ha effettivamente trovato un nuovo catalizzatore per la produzione di carburante a base di idrogeno che è sia economico che efficiente dal punto di vista energetico.

Pubblicata questo mese sul Journal of the American Chemical Society (JACS), la scoperta del catalizzatore è stata effettuata usando una nuova megalibrary di nanoparticelle, e corrisponde o supera le prestazioni dell’iridio nella produzione di carburante a base di idrogeno, a una frazione del costo.

Per molto tempo, i ricercatori hanno cercato alternative all’iridio. Ma ciò che ha richiesto decenni è stato scoperto in un solo pomeriggio usando il potente nuovo strumento sviluppato dagli scienziati della Northwestern University.

Questo nuovo strumento è chiamato megalibrary, la prima “fabbrica di dati” al mondo per nanomateriali. Ognuna di queste librerie contiene milioni di nanoparticelle distinte su un unico piccolo chip.

La tecnologia è stata poi utilizzata, in collaborazione con ricercatori del Toyota Research Institute (TRI), per trovare catalizzatori commercialmente rilevanti per la produzione di idrogeno. Il materiale è stato successivamente scalato e dimostrato funzionante all’interno di un dispositivo. Tutto ciò è stato realizzato in tempi record.

Per scoprire nuovi catalizzatori, i ricercatori hanno usato quattro metalli poco costosi e abbondanti, tutti noti per le loro prestazioni catalitiche. Questi metalli sono:

1. Cobalto (Co)
2. Cromo (Cr)
3. Manganese (Mn)
4. Rutenio (Ru)

La megalibrary è stata poi utilizzata per setacciare rapidamente enormi combinazioni di questi metalli per trovare un nuovo materiale la cui prestazione può eguagliare quella dell’iridio.

Il team ha effettivamente trovato un nuovo materiale comparabile ai materiali commerciali a base di iridio nelle prestazioni di laboratorio. In alcuni casi, le prestazioni hanno persino superato quelle dei materiali a base di iridio a una frazione del costo.

Questa scoperta potrebbe potenzialmente rendere l’idrogeno verde accessibile.

Inoltre, il nuovo materiale dimostra l’efficacia dell’approccio megalibrary, che potrebbe cambiare il modo in cui i ricercatori scoprono nuovi materiali per varie applicazioni.

Secondo l’autore senior dello studio Chad A. Mirkin, principale inventore della piattaforma megalibrary e colui che l’ha introdotta circa un decennio fa nel 2016:

«Abbiamo liberato probabilmente lo strumento di sintesi più potente al mondo, che consente di esplorare l’enorme numero di combinazioni a disposizione di chimici e scienziati dei materiali per trovare i materiali che contano.»

Nel progetto megalibrary, il team ha «indirizzato quella capacità verso un grande problema del settore energetico». Il problema, come ha osservato il pioniere della nanotecnologia Mirkin, era:

«Come troviamo un materiale che sia buono quanto l’iridio ma più abbondante, più disponibile e molto più economico? Questo nuovo strumento ci ha permesso di trovare un’alternativa promettente e di trovarla rapidamente.»

Mirkin è professore di Chimica al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e professore di ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali alla McCormick School of Engineering.

L’idrogeno verde è una necessità critica per il mondo, ma è limitato dalla sua dipendenza da uno dei materiali più rari per funzionare.

«Non c’è abbastanza iridio al mondo per soddisfare tutte le nostre esigenze previste.»

– Ted Sargent, professore di Chimica al Weinberg e professore di ingegneria elettrica e informatica al McCormick

Sargent e Mirkin hanno lavorato insieme al progetto.

«Mentre pensiamo alla scissione dell’acqua per generare forme alternative di energia, non c’è abbastanza iridio dal punto di vista della fornitura.»

– Sargent

Scoprire nuovi candidati per sostituire questo metallo è stato l’applicazione perfetta per il nuovo strumento, che può rivoluzionare il lento e arduo processo tradizionale di scoperta dei materiali. A differenza del metodo tradizionale di prova ed errore, le nuove megalibrary consentono l’identificazione rapida delle composizioni ottimali.

Ogni megalibrary è stata creata con un gruppo di centinaia di migliaia di minuscoli puntali a forma di piramide per stampare ‘punti’ individuali su una superficie. Ogni punto presenta una miscela accuratamente progettata di sali metallici, che, una volta riscaldati, si riducono per formare nanoparticelle uniche, ciascuna con una dimensione e composizione precise.

Secondo Mirkin:

«Puoi pensare a ogni puntale come a una piccola persona in un piccolo laboratorio. Invece di avere una sola piccola persona che costruisce una struttura alla volta, ne hai milioni. Quindi, hai praticamente un’intera armata di ricercatori distribuita su un chip.»

In totale, il chip contava 156 milioni di particelle, ciascuna formata da diverse combinazioni di Co, Cr, Mn e Ru. Un robot scanner ha poi analizzato quanto bene potessero eseguire una Reazione di Evoluzione dell’Ossigeno (OER).

Questa capacità di setacciare le particelle per la loro performance finale rappresenta una grande innovazione.

«Per la prima volta, non solo siamo stati in grado di setacciare rapidamente i catalizzatori, ma abbiamo visto i migliori funzionare bene in un contesto scalato.»

– Joseph Montoya, coautore dello studio e ricercatore senior presso TRI

Sulla base della valutazione, i ricercatori hanno selezionato 40 candidati con le migliori prestazioni, da bassa a alta attività, per ulteriori test in laboratorio. Gli ossidi RuCoMnCr sono stati scalati a livelli di milligrammi prima di essere studiati per le loro prestazioni catalitiche.

Una composizione si è distinta alla fine. Questa combinazione precisa di tutti e quattro i metalli era: ossido Ru52Co33Mn9Cr6.

Quindi, il team è riuscito a ottenere un catalizzatore multimetallico, noto per essere più attivo rispetto ai suoi equivalenti a metallo singolo.

«Il nostro catalizzatore ha in realtà una leggera attività superiore a quella dell’iridio e un’ottima stabilità», ha detto Mirkin. «È raro perché spesso il rutenio è meno stabile. Ma gli altri elementi nella composizione stabilizzano il rutenio.»

Il catalizzatore ha generato una tensione di 1,58 V a 1 A/cm² e 1,77 V a 3 A/cm².

Per quanto riguarda le prestazioni a lungo termine, questo nuovo catalizzatore ha operato per oltre 1.000 ore con alta efficienza e notevole stabilità in un ambiente acido aggressivo, costando circa un sedicesimo dell’iridio.

«C’è molto lavoro da fare per renderlo commercialmente valido, ma è molto entusiasmante poter identificare rapidamente catalizzatori promettenti – non solo a livello di laboratorio ma anche per dispositivi.»

– Montoya

Nel processo di ricerca di un nuovo catalizzatore, il team ha creato enormi dataset di materiali di alta qualità, che possono aprire la strada al machine learning e all’IA per progettare la prossima generazione di nuovi materiali.

TRI, Northwestern e la sua spin-off Mattiq hanno già sviluppato un algoritmo per cercare nelle megalibrary a velocità fulminee.

Eppure, è solo l’inizio. Come per l’IA, l’approccio megalibrary può espandersi oltre la semplice scoperta accelerata di catalizzatori per la conversione energetica, trasformando la scoperta di materiali per quasi qualsiasi tecnologia, come componenti ottici avanzati, dispositivi biomedicali, batterie e altro.

«Cercheremo tutti i tipi di materiali per batterie, fusione e altro», ha detto Mirkin. «Il mondo non utilizza i migliori materiali per le proprie esigenze. Le persone hanno trovato i migliori materiali in un certo momento, dati gli strumenti disponibili. Il problema è che ora abbiamo una enorme infrastruttura costruita attorno a quei materiali, e ne siamo dipendenti. Vogliamo capovolgere questa situazione. È tempo di trovare davvero i migliori materiali per ogni necessità, senza compromessi.»

Investire nella Potenza dell’Idrogeno

Bloom Energy Corp (BE ) è impegnata nella generazione di energia tramite celle a combustibile stazionarie. Fornisce due prodotti commerciali: il Bloom Electrolyzer per la produzione di idrogeno e il Bloom Energy Server per la generazione di elettricità.

L’azienda produce idrogeno dal più grande elettrolizzatore al mondo, installato presso il NASA Ames Research Center, generando circa il 25% in più di idrogeno per megawatt rispetto agli elettrolizzatori commerciali come PEM o alcalini.

Finora, Bloom Energy ha distribuito 1,5 GW di energia a basse emissioni in oltre 1.200 installazioni a livello globale.

Con una capitalizzazione di mercato di 12,38 miliardi di dollari, le azioni BE sono scambiate a 53,15 dollari, in rialzo del 138,36% YTD. Recentemente, le azioni dell’azienda hanno superato i 55 dollari raggiungendo nuovi massimi grazie all’aumento di interesse da parte di hyperscaler e data center. Inoltre, a luglio, l’azienda ha siglato un accordo importante con Oracle (ORCL ) e ha accennato a ulteriori accordi in futuro.

Ha un EPS (TTM) di 0,11 e un P/E (TTM) di 495,23.