Progressi e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi
L'elettrolizzatore a ossidi solidi (SOE) utilizza vapore acqueo ad alta temperatura (600 ~ 900 °C) per l'elettrolisi, risultando più efficiente rispetto agli elettrolizzatori alcalini e agli elettrolizzatori PEM. Negli anni '60, Stati Uniti e Germania iniziarono a condurre ricerche sull'SOE a vapore acqueo ad alta temperatura. Il principio di funzionamento dell'elettrolizzatore SOE è illustrato nella Figura 4. L'idrogeno riciclato e il vapore acqueo entrano nel sistema di reazione dall'anodo. Il vapore acqueo viene elettrolizzato in idrogeno al catodo. L'O₂ prodotto dal catodo attraversa l'elettrolita solido fino all'anodo, dove si ricombina per formare ossigeno e rilasciare elettroni.
A differenza delle celle elettrolitiche alcaline e a membrana a scambio protonico, l'elettrodo SOE reagisce con il contatto con il vapore acqueo e si trova ad affrontare la sfida di massimizzare l'area di interfaccia tra l'elettrodo e il contatto con il vapore acqueo. Pertanto, l'elettrodo SOE ha generalmente una struttura porosa. Lo scopo dell'elettrolisi del vapore acqueo è ridurre l'intensità energetica e i costi operativi dell'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida. Infatti, sebbene il fabbisogno energetico totale della reazione di decomposizione dell'acqua aumenti leggermente con l'aumentare della temperatura, il fabbisogno di energia elettrica diminuisce significativamente. All'aumentare della temperatura elettrolitica, parte dell'energia richiesta viene fornita sotto forma di calore. L'elettrolisi SOE è in grado di produrre idrogeno in presenza di una fonte di calore ad alta temperatura. Poiché i reattori nucleari raffreddati a gas ad alta temperatura possono essere riscaldati fino a 950 °C, l'energia nucleare può essere utilizzata come fonte energetica per l'elettrolisi SOE. Allo stesso tempo, la ricerca dimostra che anche le energie rinnovabili, come l'energia geotermica, hanno il potenziale per essere utilizzate come fonte di calore per l'elettrolisi del vapore. Operare ad alta temperatura può ridurre la tensione della batteria e aumentare la velocità di reazione, ma presenta anche la sfida della stabilità termica e della tenuta del materiale. Inoltre, il gas prodotto dal catodo è una miscela di idrogeno che deve essere ulteriormente separata e purificata, aumentando i costi rispetto all'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida. L'uso di ceramiche conduttrici di protoni, come lo zirconato di stronzio, riduce i costi dell'elettrolisi a vapore. Lo zirconato di stronzio mostra un'eccellente conduttività protonica a circa 700 °C e favorisce la produzione di idrogeno ad elevata purezza da parte del catodo, semplificando il dispositivo di elettrolisi a vapore.
Yan et al. [6] hanno riferito che il tubo di ceramica di zirconia stabilizzato dall'ossido di calcio è stato utilizzato come SOE della struttura di supporto, la superficie esterna è stata rivestita con perovskite di lantanio porosa sottile (meno di 0,25 mm) come anodo e cermet di ossido di calcio stabile a Ni/Y2O3 come catodo. A 1000 °C, 0,4 A/cm2 e 39,3 W di potenza in ingresso, la capacità di produzione di idrogeno dell'unità è di 17,6 NL/h. Lo svantaggio del SOE è la sovratensione risultante dalle elevate perdite ohm che sono comuni alle interconnessioni tra le celle e l'elevata concentrazione di sovratensione dovuta alle limitazioni del trasporto di diffusione del vapore. Negli ultimi anni, le celle elettrolitiche planari hanno attirato molta attenzione [7-8]. A differenza delle celle tubolari, le celle piatte rendono la produzione più compatta e migliorano l'efficienza di produzione dell'idrogeno [6]. Attualmente, il principale ostacolo all'applicazione industriale dell'SOE è la stabilità a lungo termine della cella elettrolitica [8], e possono essere causati problemi di invecchiamento e disattivazione dell'elettrodo.
Data di pubblicazione: 06-02-2023