Perché gli elettrolizzatori alcalini si distinguono con acqua a bassa purezza

La scienza alla base della tolleranza alcalina: ruolo degli ioni idrossido (OH–)

Gli elettrolizzatori alcalini funzionano utilizzando ioni idrossido OH⁻ nei loro elettroliti liquidi, solitamente una soluzione di idrossido di potassio o di sodio al 20-30 percento. Questi creano un ambiente ad alto pH che aiuta a neutralizzare le fastidiose contaminazioni acide come cloruri e solfati presenti in molte fonti d'acqua. La composizione chimica conferisce a questi sistemi una resistenza naturale alle impurità, pertanto non richiedono acqua estremamente pura come invece necessitano i sistemi PEM. E sappiamo tutti che i sistemi PEM hanno problemi di avvelenamento del catalizzatore causati da varie contaminazioni. Un rapporto recente del Hydrogen Council del 2024 ha rivelato anche un dato interessante: gli ioni OH⁻ aumentano la conducibilità ionica di circa 1,7 volte rispetto alle condizioni normali. Ciò significa che il sistema può funzionare regolarmente anche in presenza di solidi disciolti fino a livelli di 500 parti per milione, rendendoli particolarmente versatili per diversi ambienti operativi.

Come gli elettroliti liquidi attenuano le impurità comuni

L'elettrolita alcalino circolante funziona come un tampone dinamico contro le impurità:

• Gli ioni dei metalli pesanti precipitano come idrossidi insolubili, riducendo al minimo l'intasamento degli elettrodi
• Le particelle sospese vengono trattenute all'interno della matrice elettrolitica invece di ostruire componenti critici
• Gli ioni bicarbonato si decompongono in CO₂ e acqua in condizioni alcaline, prevenendo problemi di attraversamento gassoso

I test mostrano che i sistemi alcalini mantengono un'efficienza del 92% con acqua di alimentazione contenente 100 ppm di silice, mentre le prestazioni delle celle a membrana (PEM) calano dell'18% nelle stesse condizioni. Questa robustezza ha portato il Global Electrolyzer Consortium a raccomandare la tecnologia alcalina per fonti di acqua salmastra o di bassa qualità.

Esempio reale: Produzione di Idrogeno Utilizzando Acqua Fluviale in Progetti Pilota

Un progetto pilota nel Sud-est asiatico del 2023 ha fatto funzionare con successo degli elettrolizzatori alcalini utilizzando acqua di fiume non trattata (pH 6,8, torbidità 25 NTU), richiedendo soltanto una sedimentazione di base. Dopo 8.000 ore di funzionamento continuo, non è stata osservata alcuna degradazione della tensione, dimostrando:

• Una riduzione del 3,3% del costo livellato dell'idrogeno rispetto ai sistemi PEM che dipendono dalla deionizzazione
• domanda di energia per il pretrattamento del 45% inferiore
• Fattibilità per un'implementazione su larga scala in regioni sprovviste di infrastrutture per acqua ultrapura

Questi risultati evidenziano il vantaggio pratico dei sistemi alcalini in ambienti decentralizzati o con risorse limitate.

Sistemi alcalini vs. elettrolizzatori PEM: confronto dei requisiti di purezza dell'acqua

Elevati requisiti di purezza dell'acqua degli elettrolizzatori PEM e AEM

Per gli elettrolizzatori PEM (membrana a scambio protonico) e AEM (membrana a scambio anionico), l'uso di acqua deionizzata con una resistività superiore a 1 MΩ·cm è assolutamente necessario per evitare problemi futuri come l'intasamento della membrana e il degrado del catalizzatore. Quando questi sistemi entrano in contatto con acqua contenente oltre 50 parti per miliardo di ioni metallici, le prestazioni calano significativamente, con una perdita di efficienza compresa tra il 15% e il 20%, come riportato recentemente da Hyfindr. I sistemi alcalini raccontano tutt’altra storia. Essi tollerano impurità a livelli da 10 fino a 100 volte superiori rispetto a quanto i sistemi PEM possano gestire, poiché il loro elettrolita liquido a base di KOH agisce come uno scudo contro i contaminanti. Questo li rende molto più tolleranti rispetto ai requisiti di qualità dell'acqua.

Compromesso sull'efficienza: le prestazioni dei sistemi PEM giustificano le loro esigenze di purezza?

Gli elettrolizzatori PEM funzionano con efficienze migliori, intorno al 75-80 percento, rispetto al circa 60-70 percento degli impianti alcalini. Ma c'è un inconveniente, perché il loro funzionamento ha costi decisamente più elevati per quanto riguarda la necessità di mantenere l'acqua sufficientemente pura. Per produrre soltanto un chilogrammo di idrogeno, i sistemi PEM necessitano tra i nove e i dodici litri di acqua deionizzata, secondo la ricerca di ACS Industries del 2025. Una quantità significativamente superiore rispetto ai cinque-otto litri richiesti dai metodi alcalini tradizionali. E considerando che la tecnologia PEM dipende fortemente da costosi catalizzatori a base di metalli del gruppo del platino, il costo complessivo risulta essere dal 25% fino al 40% maggiore rispetto a quello dei sistemi alcalini nel tempo. Quindi, anche se tecnicamente più efficienti, i costi aggiuntivi riducono notevolmente eventuali vantaggi economici che potrebbero offrire.

Principali differenze nella sensibilità ai contaminanti e nella durata del sistema

Gli elettrolizzatori alcalini possono gestire ogni tipo di impurità senza deteriorarsi, inclusi cloruri, solfati e persino la silice, che tendono a distruggere le membrane PEM nel tempo. Il risultato? Questi sistemi durano molto di più in condizioni reali. Parliamo di durate operative comprese tra circa 60.000 e quasi 90.000 ore per i modelli alcalini, circa il doppio rispetto alla resa massima della maggior parte degli unità PEM (tipicamente tra 30.000 e 45.000 ore). Un altro grande vantaggio della tecnologia alcalina deriva dalla sua progettazione semplice del blocco celle. Questa semplicità comporta minori problemi durante la manutenzione e riduce significativamente anche i costi di riparazione, spesso del 35% fino alla metà rispetto ad altre opzioni oggi disponibili sul mercato.

Aumento del deployment in regioni con scarsità idrica e remote

Analisi delle tendenze: adozione in aree con limitata purificazione dell'acqua dolce

In luoghi in cui impianti di trattamento dell'acqua pulita non esistono o semplicemente non sono pratici da gestire, le persone si stanno rivolgendo sempre più agli elettrolizzatori alcalini. Questi sistemi possono funzionare con praticamente qualsiasi fonte d'acqua disponibile localmente, che provenga da fiumi o anche da acque leggermente salate, senza necessità di sofisticati passaggi di pretrattamento. Ciò li rende particolarmente utili per installare stazioni di produzione di idrogeno lontano dai principali centri abitati. Prendiamo ad esempio un recente caso sperimentale del 2023: è stato possibile mantenere un'efficienza del 92% anche utilizzando acqua di fiume grezza, contenente una notevole quantità di detriti e oltre 15 parti per milione di sostanze disciolte. Nell'area Asia-Pacifico questa tendenza ha accelerato negli ultimi tempi. I sistemi alcalini offrono alle persone comuni un'alternativa ai costosissimi filtri militari per l'acqua. E non dimentichiamo che questi impianti riducono di circa un terzo il consumo energetico necessario per la preparazione dell'acqua rispetto ai metodi tradizionali.

Vantaggi di Sostenibilità: Riduzione della Dipendenza dalle Infrastrutture per Acqua Deionizzata

Tollerando il calcio (fino a 50 mg/L) e la silice (fino a 20 mg/L), gli elettrolizzatori alcalini eliminano la necessità di sistemi a osmosi inversa o a scambio ionico, che consumano da 2 a 4 kWh/m³ di acqua trattata. Ciò riduce in modo significativo:

• Le emissioni di carbonio del 18–22% per chilogrammo di idrogeno prodotto
• Le spese in conto capitale per le infrastrutture di trattamento dell'acqua da 400.000 a 740.000 USD (Ponemon 2023)
• I tempi di fermo manutenzione causati dall'intasamento delle membrane nelle unità di purificazione

Questa efficienza è in linea con l'Obiettivo di Sviluppo Sostenibile 6 dell'ONU, in particolare nelle regioni aride dove meno del 5% dell'acqua disponibile soddisfa naturalmente gli standard di purezza industriale, rendendo l'elettrolisi alcalina un percorso sostenibile per l'espansione dell'idrogeno verde.

Domande Frequenti

• Cosa rende gli elettrolizzatori alcalini più adatti all'acqua a bassa purezza? Gli elettrolizzatori alcalini utilizzano ioni idrossido che creano un ambiente ad alto pH, neutralizzando i contaminanti acidi. Questa struttura resiste naturalmente alle impurità, a differenza degli elettrolizzatori PEM che richiedono acqua ultrapura per evitare l'avvelenamento del catalizzatore e altri problemi.
• Come gestiscono le impurità gli elettrolizzatori alcalini? Il loro elettrolita liquido agisce da tampone, precipitando i metalli pesanti come idrossidi insolubili e catturando le particelle sospese per prevenire intasamenti e incrostazioni agli elettrodi.
• Perché i sistemi alcalini sono preferiti in aree remote e con scarsità di acqua? Possono funzionare in modo efficiente con diverse fonti di acqua senza il trattamento preliminare esteso richiesto da altri sistemi, risultando ideali per la produzione decentralizzata di idrogeno in zone con accesso limitato all'acqua purificata.
• Quali sono le implicazioni di efficienza e costo degli elettrolizzatori alcalini rispetto ai PEM? Sebbene i sistemi PEM siano leggermente più efficienti, i sistemi alcalini sono più economici perché richiedono acqua meno pura, utilizzano catalizzatori meno costosi e hanno una durata maggiore, riducendo i costi operativi complessivi.