Un nuovo sistema per produrre idrogeno verde in modo economico ed efficiente

Cosa serve per produrre idrogeno verde in modo più efficiente ed economico? A quanto pare, piccole particelle di rutenio e un sistema solare per l’elettrolisi dell’acqua. Questa è la soluzione proposta da un team congiunto che coinvolge l’Istituto Italiano di Tecnologia (Italian Institute of Technology, IIT) di Genova e BeDimensional SpA (uno spin-off dell’IIT).

La tecnologia, sviluppata nell’ambito delle attività del Joint-lab e recentemente pubblicata in Comunicazioni sulla natura e il Rivista della American Chemical Societysi basa su una nuova famiglia di elettrocatalizzatori che potrebbero ridurre i costi di produzione dell’idrogeno verde su scala industriale.

L’idrogeno è considerato un vettore energetico sostenibile, un’alternativa ai combustibili fossili. Ma non tutto l’idrogeno è uguale quando si tratta di impatto ambientale. Infatti, il modo principale in cui l’idrogeno viene prodotto oggigiorno è attraverso il reforming a vapore del metano, un processo basato sui combustibili fossili che rilascia anidride carbonica (CO₂) come sottoprodotto. L’idrogeno prodotto da questo processo è classificato come “grigio” (quando CO₂ viene rilasciato nell’atmosfera) o “blu” (quando la CO₂ subisce cattura e stoccaggio geologico).

Per ridurre significativamente le emissioni a zero entro il 2050, questi processi devono essere sostituiti con altri più sostenibili dal punto di vista ambientale che forniscano idrogeno “verde” (ovvero, emissioni nette pari a zero). Il costo dell’idrogeno “verde” dipende in modo critico dall’efficienza energetica dell’impianto (l’elettrolizzatore) che scinde le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno.

I ricercatori del team congiunto di questa scoperta hanno sviluppato un nuovo metodo che garantisce una maggiore efficienza rispetto ai metodi attualmente conosciuti nella conversione dell’energia elettrica (il bias energetico sfruttato per scindere molecole d’acqua) dentro energia chimica immagazzinati nelle molecole di idrogeno che vengono prodotte. Il team ha sviluppato un concetto di catalizzatore e ha utilizzato fonti di energia rinnovabilecome l’energia elettrica prodotta da un pannello solare.

“Nel nostro studio abbiamo dimostrato come sia possibile massimizzare l’efficienza di una tecnologia robusta e ben sviluppata nonostante un investimento iniziale leggermente superiore a quello che sarebbe necessario per un elettrolizzatore standard. Questo perché stiamo utilizzando un metallo prezioso come il rutenio”, hanno affermato Yong Zuo e Michele Ferri del Nanochemistry Group presso l’IIT di Genova.

I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di rutenio, un metallo nobile che è simile al platino nel suo comportamento chimico ma molto più economico. Le nanoparticelle di rutenio servono come fase attiva del catodo dell’elettrolizzatore, portando a una maggiore efficienza dell’elettrolizzatore complessivo

“Abbiamo eseguito analisi e test elettrochimici in condizioni di rilevanza industriale che ci hanno consentito di valutare l’attività catalitica dei nostri materiali. Inoltre, simulazioni teoriche ci hanno consentito di comprendere il comportamento catalitico delle nanoparticelle di rutenio a livello molecolare; in altre parole, il meccanismo di scissione dell’acqua sulla loro superficie”, hanno spiegato Sebastiano Bellani e Marilena Zappia di BeDimensional, coinvolti nella scoperta.

“Combinando i dati dei nostri esperimenti con ulteriori parametri di processo, abbiamo condotto un’analisi tecnico-economica che ha dimostrato la competitività di questa tecnologia rispetto agli elettrolizzatori all’avanguardia.”

Il rutenio è un metallo prezioso che si ottiene in piccole quantità come sottoprodotto dell’estrazione del platino (30 tonnellate all’anno, rispetto alla produzione annuale di 200 tonnellate di platino) ma a un costo inferiore (18,5 dollari al grammo contro i 30 dollari del platino). La nuova tecnologia prevede l’uso di soli 40 mg di rutenio per kilowatt, in netto contrasto con l’uso estensivo di platino (fino a 1 grammo per kilowatt) e iridio (tra 1 e 2,5 grammi per kilowatt, con un prezzo dell’iridio di circa 150 dollari al grammo) che caratterizza gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico.

Utilizzando il rutenio, i ricercatori dell’IIT e della BeDimensional hanno migliorato l’efficienza degli elettrolizzatori alcalini, una tecnologia utilizzata da decenni per la sua robustezza e durata.

Ad esempio, questa tecnologia era a bordo della capsula Apollo 11 che portò l’umanità sulla luna nel 1969. La nuova famiglia di ruteniocatodi a base di idrogeno per elettrolizzatori alcalini che sono stati sviluppati sono molto efficienti e hanno una lunga vita operativa, essendo quindi in grado di ridurre i costi di produzione di energia verde idrogeno.

“In futuro, intendiamo applicare questa e altre tecnologie, come i catalizzatori nanostrutturati basati su materiali bidimensionali sostenibili, in elettrolizzatori di grandi dimensioni alimentati da energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili, tra cui l’elettricità prodotta da pannelli fotovoltaici”, hanno concluso i ricercatori.