Come funziona?
Come le celle a combustibile, gli elettrolizzatori sono costituiti da un anodo e un catodo separati da un elettrolita. Diversi elettrolizzatori funzionano in modi leggermente diversi, principalmente a causa del diverso tipo di materiale elettrolitico coinvolto.
Elettrolizzatori a membrana elettrolitica polimerica
In un elettrolizzatore a membrana elettrolitica polimerica (PEM), l’elettrolito è un materiale plastico speciale solido.
- L’acqua reagisce all’anodo per formare ossigeno e ioni idrogeno caricati positivamente (protoni).,
- Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno e gli ioni idrogeno si muovono selettivamente attraverso il PEM al catodo.
- Al catodo, gli ioni idrogeno si combinano con gli elettroni del circuito esterno per formare gas idrogeno. Reazione dell’anodo: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e – Reazione del catodo: 4H + + 4e – → 2H2
Elettrolizzatori alcalini
Gli elettrolizzatori alcalini funzionano via il trasporto degli ioni dell’idrossido (OH-) attraverso l’elettrolito dal catodo all’anodo con l’idrogeno che è generato dal lato del catodo., Gli elettrolizzatori che utilizzano una soluzione alcalina liquida di sodio o idrossido di potassio come elettrolita sono disponibili in commercio da molti anni. Nuovi approcci che utilizzano membrane di scambio alcaline solide come l’elettrolita stanno mostrando promessa sulla scala di laboratorio.
Elettrolizzatori di ossido solido
Gli elettrolizzatori di ossido solido, che utilizzano un materiale ceramico solido come elettrolita che conduce selettivamente ioni di ossigeno caricati negativamente (O2-) a temperature elevate, generano idrogeno in un modo leggermente diverso.,
- L’acqua al catodo si combina con gli elettroni del circuito esterno per formare gas idrogeno e ioni ossigeno caricati negativamente.
- Gli ioni di ossigeno passano attraverso la membrana ceramica solida e reagiscono all’anodo per formare gas ossigeno e generare elettroni per il circuito esterno.
Gli elettrolizzatori a ossido solido devono funzionare a temperature abbastanza elevate per il corretto funzionamento delle membrane a ossido solido (circa 700 ° -800 ° C, rispetto agli elettrolizzatori PEM, che funzionano a 70°-90°C e agli elettrolizzatori alcalini commerciali, che funzionano a 100°-150°C)., Gli elettrolizzatori a ossido solido possono utilizzare efficacemente il calore disponibile a queste temperature elevate (da varie fonti, compresa l’energia nucleare) per ridurre la quantità di energia elettrica necessaria per produrre idrogeno dall’acqua.
Perché viene preso in considerazione questo percorso?
L’idrogeno prodotto per elettrolisi può provocare emissioni di gas serra pari a zero, a seconda della fonte di energia elettrica utilizzata., La fonte dell’elettricità necessaria—compresi i costi e l’efficienza, nonché le emissioni derivanti dalla produzione di elettricità-deve essere presa in considerazione al momento di valutare i benefici e la redditività economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi. In molte regioni del paese, la rete elettrica di oggi non è l’ideale per fornire l’elettricità necessaria per l’elettrolisi a causa dei gas serra rilasciati e della quantità di carburante richiesta a causa della bassa efficienza del processo di generazione di elettricità., La produzione di idrogeno tramite elettrolisi è perseguita per le opzioni di energia rinnovabile (eolica) e nucleare. Questi percorsi si traducono in quasi zero emissioni di gas serra e criteri inquinanti.
Potenziale di sinergia con la generazione di energia rinnovabile
La produzione di idrogeno tramite elettrolisi può offrire opportunità di sinergia con la generazione di energia variabile, caratteristica di alcune tecnologie di energia rinnovabile. Ad esempio, sebbene il costo dell’energia eolica abbia continuato a diminuire, la variabilità intrinseca del vento è un ostacolo all’uso efficace dell’energia eolica., Il combustibile a idrogeno e la produzione di energia elettrica potrebbero essere integrati in un parco eolico, consentendo la flessibilità di spostare la produzione per abbinare al meglio la disponibilità delle risorse con le esigenze operative del sistema e i fattori di mercato. Inoltre, in tempi di produzione di elettricità in eccesso da parchi eolici, invece di ridurre l’elettricità come si fa comunemente, è possibile utilizzare questa elettricità in eccesso per produrre idrogeno attraverso l’elettrolisi.
È importante notare…,
- L’elettricità di rete di oggi non è la fonte ideale di elettricità per l’elettrolisi perché la maggior parte dell’elettricità viene generata utilizzando tecnologie che provocano emissioni di gas serra e sono ad alta intensità energetica. La produzione di energia elettrica utilizzando tecnologie rinnovabili o nucleari, separate dalla rete o come parte crescente del mix di rete, è una possibile opzione per superare queste limitazioni per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi.
- Gli Stati Uniti., Dipartimento di Energia e altri continuano gli sforzi per abbattere il costo della produzione di energia elettrica a base di rinnovabili e sviluppare la produzione di energia elettrica a base di carbone più efficiente con la cattura di carbonio, utilizzo, e lo stoccaggio. La produzione di elettricità basata sul vento, ad esempio, sta crescendo rapidamente negli Stati Uniti e a livello globale.
La ricerca si concentra sul superamento delle sfide
- Riducendo il costo di capitale dell’unità elettrolizzatore e l’equilibrio del sistema e migliorando l’efficienza energetica per la conversione dell’elettricità in idrogeno.,
- Integrazione della compressione nell’elettrolizzatore per evitare il costo di un compressore di idrogeno separato necessario per aumentare la pressione per lo stoccaggio dell’idrogeno.
