Progressi e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi
L'elettrolizzatore a ossido solido (SOE) utilizza vapore acqueo ad alta temperatura (600 ~ 900 °C) per l'elettrolisi, risultando più efficiente rispetto agli elettrolizzatori alcalini e a quelli a membrana a scambio protonico (PEM). Negli anni '60, Stati Uniti e Germania iniziarono a condurre ricerche sugli elettrolizzatori SOE a vapore acqueo ad alta temperatura. Il principio di funzionamento dell'elettrolizzatore SOE è illustrato nella Figura 4. Idrogeno e vapore acqueo riciclati entrano nel sistema di reazione dall'anodo. Il vapore acqueo viene elettrolizzato in idrogeno al catodo. L'O2 prodotto dal catodo si sposta attraverso l'elettrolita solido verso l'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 a contatto con il vapore acqueo e deve 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 quello di 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. Con l'aumento della temperatura elettrolitica, parte dell'energia richiesta viene fornita sotto forma di calore. L'elettrodo 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 di energia per l'elettrolisi del vapore. 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 deve anche affrontare la sfida della stabilità termica del materiale e della tenuta. Inoltre, il gas prodotto dal catodo è una miscela di idrogeno che necessita di ulteriore separazione e purificazione, aumentando i costi rispetto all'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida. L'utilizzo di ceramiche a conduzione protonica, come lo zirconato di stronzio, riduce i costi dell'elettrolisi a vapore. Lo zirconato di stronzio presenta un'eccellente conduttività protonica a circa 700 °C ed è favorevole alla produzione di idrogeno ad elevata purezza al catodo, semplificando il dispositivo di elettrolisi a vapore.
Yan et al. [6] hanno riportato che un tubo ceramico di zirconia stabilizzato con 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 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 derivante dalle elevate perdite ohm che sono comuni nelle 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 di idrogeno [6]. Attualmente, il principale ostacolo all’applicazione industriale della SOE è la stabilità a lungo termine della cella elettrolitica [8], e possono verificarsi problemi di invecchiamento e disattivazione dell’elettrodo.
Data di pubblicazione: 6 febbraio 2023