Key Priorities for Water Electrolyzer Material & Component Innovation

La produzione di idrogeno verde continua a essere al centro di molte strategie governative e aziendali di decarbonizzazione. L'elettrolizzatore è una tecnologia chiave che consente di produrre idrogeno verde scindendo le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica rinnovabile. Molti si concentrano sulla necessità di impianti di idrogeno verde su larga scala e di impianti di produzione di elettrolizzatori. Tuttavia, l'innovazione dei materiali e dei componenti è spesso considerata meno prioritaria nel mercato in generale. Questo articolo farà luce su alcune priorità critiche in materia di materiali e componenti per le principali tecnologie di elettrolizzazione, utilizzando le informazioni tratte dal rapporto IDTechEx "Materiali per la produzione di idrogeno verde 2024-2034: tecnologie, attori, previsioni".

 

 

 

 

L'elettrolizzatore di acqua alcalina (AWE) è una tecnologia matura e altamente commercializzata, che offre il più basso costo di capitale del sistema e prestazioni prevedibili a lungo termine. Lo stack di celle AWE utilizza un elettrolita alcalino liquido (idrossido di potassio, KOH) accoppiato a un diaframma poroso e si basa su materiali ampiamente disponibili, come il nichel e l'acciaio inossidabile.

 

Una delle sfide principali dell'AWE è la sua minore efficienza rispetto alla principale tecnologia concorrente, l'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEMEL). Di conseguenza, gli sviluppatori di tecnologie e materiali per elettrolizzatori si sono concentrati sulla produzione di rivestimenti catalitici ad alte prestazioni per gli elettrodi, al fine di migliorare l'efficienza di conversione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Esistono rivestimenti ad alte prestazioni in commercio, ma molti si basano ancora sull'uso di metalli critici del gruppo del platino (PGM), come il rutenio, in rivestimenti di ossido misto.

 

La ricerca sui rivestimenti degli elettrodi si è concentrata sulla scoperta e sull'applicazione di nuovi materiali catalitici. Tra le strategie promettenti vi è l'accoppiamento dell'attuale nichel con altri elementi metallici di transizione e non, ad esempio nel NiFeCoP. Inoltre, l'uso di elettrodi porosi, come le maglie di nichel, può accoppiarsi particolarmente bene con tali rivestimenti, producendo catalizzatori altamente nano-strutturati che forniscono elevate aree superficiali per le reazioni.

 

La pressione di questi elettrodi contro il diaframma poroso può migliorare ulteriormente l'efficienza grazie alla riduzione della distanza che le specie chimiche devono percorrere tra i siti di reazione. Questa configurazione è nota come cella zero-gap ed è già ampiamente utilizzata negli stack AWE commerciali. De Nora è uno dei componenti delle celle zero-gap e dei rivestimenti avanzati degli elettrodi e collabora con fornitori affermati di AWE come McPhy Energy e thyssenkrupp nucera. IDTechEx prevede che la combinazione di queste strategie di progettazione dei materiali e dei componenti possa migliorare ulteriormente l'efficienza delle PLE, ma sono necessari ulteriori sforzi commerciali su tutta la linea.

 

 

Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEMEL) stanno guadagnando terreno per la loro elevata efficienza, il design compatto e l'adattabilità alle fluttuazioni delle fonti di energia rinnovabili. Sebbene vi sia un movimento verso la standardizzazione dei materiali negli stack PEMEL, l'innovazione è tutt'altro che stagnante, in particolare nello sviluppo dei catalizzatori anodici.

 

Il platino (Pt) e l'iridio (Ir) catalizzano le reazioni elettrochimiche di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno che avvengono rispettivamente nell'elettrolizzatore. I materiali di ultima generazione utilizzati sono il platino supportato su nerofumo (Pt/C) per il catodo e il nero iridio (Ir) o l'ossido di iridio (IrO_x ) per l'anodo. L'uso dell'iridio all'anodo è particolarmente problematico, poiché i carichi di corrente di 1 - 2,5 g/kW e l'elevata domanda di sistemi PEMEL possono mettere a dura prova l'approvvigionamento globale di iridio.

 

I fornitori di catalizzatori, come Heraeus Precious Metals, stanno affrontando il problema dell'iridio accoppiando l'iridio con il rutenio in un catalizzatore di ossido misto (IrRuO_x ). Data l'urgenza di ridurre il carico di iridio, questo materiale potrebbe essere oggetto di una maggiore diffusione commerciale nel prossimo futuro. Un'altra strategia in fase di esplorazione da parte di gruppi di ricerca e sviluppo sia accademici che aziendali è l'uso di catalizzatori di iridio supportati, simile all'approccio Pt/C. Inoltre, gran parte della ricerca si concentra sull'eliminazione dell'iridio a favore di altri MGP, come il rutenio, accoppiandolo con metalli di transizione in ossidi misti. I catalizzatori privi di iridio e PGM sono ancora generalmente in una fase iniziale di sviluppo. IDTechEx prevede che saranno necessari ulteriori sforzi di ricerca per dimostrare la loro competitività e aprire la strada a un'adozione commerciale diffusa.

 

Anche altri componenti dell'elettrolizzatore PEM, come gli strati di diffusione del gas (GDL) e le piastre bipolari, utilizzano rivestimenti in metalli preziosi e titanio. Entrambi possono diventare più problematici in futuro, quindi molte aziende stanno esplorando nuovi metodi di produzione e rivestimento per ridurre i requisiti di questi materiali. Per ulteriori informazioni, consultare ilprecedente articolo di ricerca di IDTechExsui materiali degli elettrolizzatori PEM.

 

 

L'elettrolizzatore a membrana a scambio anionico (AEMEL) è una tecnologia relativamente giovane ma in crescita che mira a combinare il meglio delle tecnologie alcaline e PEM. L'AEMEL cerca di combinare l'abbondanza di materiale dell'AWE con l'alta efficienza caratteristica del PEMEL. Questa tecnologia sta vivendo una rapida crescita e innovazione, esemplificata da aziende come Enapter, che stanno sperimentando sistemi commerciali su scala megawatt.

 

IDTechEx ha notato che molti gruppi di ricerca che studiano la tecnologia AEMEL utilizzano ancora catalizzatori a base di platino e iridio agli elettrodi. Un obiettivo fondamentale dell'industria e dei nuovi operatori commerciali dovrebbe essere quello di eliminare completamente l'uso dei MGP e optare per catalizzatori nano-strutturati ad alte prestazioni utilizzati nello spazio AWE. Inoltre, questa tecnologia potrebbe trarre vantaggio dall'applicazione di elettrodi a diffusione di gas (GDE), che combinano lo strato di diffusione del gas con l'elettrodo in un unico componente.

 

Un altro problema è l'ampia variazione dei materiali delle membrane a scambio anionico (AEM) e, di conseguenza, le loro diverse prestazioni e durata. Le AEM possono trarre vantaggio da alcune strategie viste nello spazio delle membrane a scambio protonico (PEM), come la reticolazione delle catene polimeriche e l'uso di strati di supporto (ad esempio, PTFE) su cui l'AEM può essere rivestita. La variazione dei materiali è destinata a persistere, ma gli sviluppatori di AEMEL possono trarre ispirazione dagli attuali sviluppi delle tecnologie AWE e PEMEL, applicandoli ai propri progetti di celle e stack.

 

 

Anche l'elettrolizzatore a ossidi solidi (SOEC) è una tecnologia relativamente nuova nel panorama dell'elettrolisi, con una presenza sul mercato minore rispetto all'AWE e al PEMEL. Il SOEC opera a temperature molto più elevate (>600°C) rispetto alle tecnologie a bassa temperatura precedentemente menzionate (50-90°C) e, pertanto, richiede materiali e approcci progettuali molto diversi.

 

La tecnologia SOEC ha beneficiato in modo massiccio degli sviluppi dei materiali nella tecnologia delle celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC), poiché la maggior parte degli stack è progettata per funzionare in modo reversibile, ossia come elettrolizzatore (SOEC) o come cella a combustibile (SOFC). Mentre alcuni componenti ceramici sono già stati introdotti nella tecnologia, lo sviluppo di nuovi materiali e assemblaggi elettrodo-elettrolita nelle SOEC è un'area promettente per l'innovazione.

 

Le priorità dell'innovazione includono l'uso di elettroliti che consentono temperature di esercizio più basse, in grado di fornire stabilità a lungo termine e vantaggi in termini di costi. Tra questi c'è la ceria drogata con gadolinia (GDC), già utilizzata in alcuni stack commerciali ed esemplificata da aziende come Ceres Power. Un altro aspetto fondamentale è l'uso di celle a supporto metallico (MSC), grazie a diversi vantaggi intrinseci rispetto alle celle a supporto elettrodico o elettrolitico, che sono più comuni negli stack commerciali. Tra questi, la riduzione dei costi dei materiali e la capacità di sopportare meglio i cicli termici e di resistere alle sollecitazioni meccaniche. Inoltre, si stanno compiendo molti sforzi per migliorare la compatibilità termica e chimica dei materiali delle celle con le interconnessioni, gli strati di contatto e i sigillanti.

 

Le future pile SOEC potrebbero vedere l'adozione di materiali più avanzati. Nel complesso, l'ampia gamma di materiali utilizzati negli stack SOEC non solo evidenzia la diversità della tecnologia, ma mostra anche il potenziale di innovazione dei materiali in questi elettrolizzatori ad alta temperatura.

 

 

Gli sviluppatori di tecnologie e materiali per elettrolizzatori devono affrontare numerose sfide, molte delle quali sono correlate tra loro. Ad esempio, la riduzione dello spessore della membrana a scambio protonico o anionico può aumentare l'efficienza, ma può ridurre la durata della membrana. Il miglioramento della durata attraverso materiali e tecniche di produzione avanzate, d'altra parte, aumenta i costi di produzione. Di conseguenza, non esiste un unico approccio ottimale all'innovazione dei materiali e dei componenti. Tuttavia, questo processo di ottimizzazione apre significative opportunità commerciali per lo sviluppo di materiali per elettrolizzatori più sofisticati.

 

Il mercato dei componenti per elettrolizzatori è pronto per un'espansione significativa: le proiezioni di IDTechEx stimano che il valore del mercato raggiungerà l'impressionante cifra di 31,7 miliardi di dollari entro il 2034. Questa crescita è guidata principalmente dalla rapida evoluzione dell'industria dell'idrogeno verde, in cui gli elettrolizzatori svolgono un ruolo cruciale. Nel rapporto "Materiali per la produzione di idrogeno verde 2024-2034: tecnologie, attori, previsioni" di IDTechEx, viene presentata un'analisi approfondita dei materiali e dei componenti attuali e futuri utilizzati nelle quattro tecnologie di elettrolizzatori discusse in questo articolo. Il rapporto offre una ripartizione dei costi di produzione degli stack per componente per gli stack AWE, PEMEL e SOEC. Sono disponibili elenchi completi di fornitori di stack, componenti e materiali per elettrolizzatori, con studi di casi di innovazioni commerciali chiave nel settore. Inoltre, fornisce previsioni di mercato granulari a 10 anni, quantificando la domanda di materiali e componenti in tonnellate, metri quadrati (m² ) e milioni di dollari all'anno.

 

Per saperne di più su questo rapporto IDTechEx, comprese le pagine campione scaricabili, visitate il sito www.IDTechEx.com/GreenHydrogen.

 

 

IDTechEx guida le vostre decisioni strategiche di business attraverso i suoi prodotti di ricerca, abbonamento e consulenza, aiutandovi a trarre profitto dalle tecnologie emergenti. Per ulteriori informazioni, contattare research@IDTechEx.com o visitare il sito www.IDTechEx.com.