Rapporto costo-prestazioni su larga scala: CAPEX, OPEX e LCOH per sistemi AEM e PEM <100 kW

Fattori determinanti il CAPEX: costo della membrana, carico di catalizzatore e semplificazione dei componenti di bilancio (BoP) nell’AEM

Gli elettrolizzatori a membrana a scambio alcalino (AEM) riducono notevolmente i costi iniziali, sostituendo i costosi metalli del gruppo del platino con catalizzatori a base di nichel e ferro, più economici. Questa sostituzione da sola riduce il costo dei materiali per l’anodo del 60–70% rispetto ai sistemi a membrana a scambio protonico (PEM). Anche le membrane stesse costano circa il 40–60% in meno, poiché non richiedono quei costosi polimeri perfluorurati. Inoltre, la progettazione complessiva del sistema è meno complessa: non sono necessari componenti in titanio particolarmente costosi né sofisticati sistemi di circolazione di acqua ultrapura, su cui invece fanno affidamento molte altre configurazioni. Tutti questi fattori combinati indicano che le spese in conto capitale per gli elettrolizzatori AEM potrebbero scendere sotto i 1.500 USD per chilowatt una volta raggiunta una produzione su larga scala; un valore ben al di sotto di quello attuale della tecnologia PEM, pari a circa 2.147 USD per chilowatt secondo diversi studi di settore sull’economia delle diverse tecnologie di elettrolisi.

Sensibilità dei costi operativi: efficienza elettrica, tolleranza alla purezza dell’acqua e frequenza della manutenzione

I sistemi AEM riducono i costi operativi in diversi modi importanti. Per cominciare, funzionano bene anche quando l'acqua non è pura quanto richiesto dai sistemi PEM. Gli AEM possono utilizzare acqua con una conducibilità superiore a 1 microsiemens per centimetro, mentre i PEM necessitano di un valore prossimo a 0,1 microsiemens. Ciò significa che le aziende spendono circa il 15–30 percento in meno per i processi di pretrattamento. Un altro fattore rilevante è l’efficienza operativa di questi sistemi alle condizioni di carico parziale. I recenti miglioramenti hanno portato la loro efficienza in tensione a valori compresi tra il 67 e il 74 percento, avvicinandoli notevolmente alla fascia di efficienza dei PEM, che va dal 56 al 70 percento. Infine, va considerata la durata dei catalizzatori. Gli stack AEM presentano una vita utile significativamente più lunga prima di richiedere manutenzione, tipicamente circa 8.000 ore rispetto al ciclo standard di 5.000 ore dei PEM. Intervalli più lunghi tra gli interventi di manutenzione comportano minori ore di lavoro dedicate alle riparazioni, minore necessità di ricambi e, cosa importante, minori perdite di tempo produttivo dovute ai fermi del sistema.

Confronto del costo livellato dell’idrogeno (LCOH) in base a profili operativi realistici su piccola scala

Quando si tratta di sistemi inferiori a 100 kW alimentati da fonti rinnovabili non sempre disponibili, la tecnologia AEM offre un costo livellato dell’idrogeno compreso tra 2,50 e 5,00 dollari statunitensi al chilogrammo. Questo valore si colloca approssimativamente nella stessa fascia della tecnologia PEM (2,34–7,52 USD/kg), sebbene, in generale, l’AEM risulti più vantaggiosa. Perché? Diversi fattori contribuiscono a questo vantaggio. Innanzitutto, le spese in conto capitale tendono a essere inferiori con le soluzioni AEM. Inoltre, questi sistemi mantengono un’ottima efficienza anche in presenza di variazioni frequenti del carico. E non dobbiamo dimenticare neppure la longevità: i test attuali indicano che gli stack AEM rimangono stabili per oltre 10.000 ore in condizioni operative reali. Guardando al futuro, alcune proiezioni suggeriscono che tali stack potrebbero raggiungere una durata superiore a 80.000 ore di funzionamento, rispetto alle circa 40.000–60.000 ore tipiche degli stack PEM. Una tale durata incide notevolmente sulla riduzione del costo complessivo per chilogrammo di idrogeno prodotto nel tempo.

Vantaggi dei catalizzatori e dei materiali: AEM senza PGM rispetto a PEM dipendente da PGM

Catalizzatori a nichel/ferro nelle celle AEM consentono anodi più economici e scalabili

Gli elettrolizzatori AEM utilizzano catalizzatori a nichel-ferro, abbondanti in natura, anziché costosi elettrodi a iridio o platino. Questa sostituzione elimina i fastidiosi problemi legati alla catena di approvvigionamento e riduce drasticamente i costi dei catalizzatori per l’anodo, portandoli a circa 32 dollari per chilowatt. Si tratta di un prezzo notevolmente inferiore rispetto ai 140 dollari per chilowatt richiesti dai sistemi PEM. La miscela di nichel e ferro mantiene l’efficienza del sistema intorno al 70–80%. Inoltre, è compatibile con i metodi di produzione roll-to-roll ed è stabile anche in condizioni di funzionamento non continuo. Queste caratteristiche rendono la tecnologia AEM particolarmente adatta per la scala industriale della produzione, senza necessità di impianti centralizzati.

Stabilità della membrana e compatibilità con le piastre bipolari in condizioni di carico variabile e di bassa purezza

Le membrane scambiatrici di anioni (AEM) funzionano conducendo ioni idrossido invece di protoni, il che significa che possono effettivamente utilizzare piastre bipolari in acciaio inossidabile meno costose, anziché richiedere componenti in titanio più onerosi. Inoltre, queste membrane tollerano meglio le impurità presenti nell’acqua rispetto ad altri sistemi, riducendo così la necessità di materie prime ultra-pure. L’intervallo di temperatura operativa si colloca comodamente tra circa 50 e 80 gradi Celsius, rendendole particolarmente resistenti alle picchi di tensione cui spesso vanno incontro le fonti rinnovabili, come i pannelli solari o le turbine eoliche. In passato, le prime versioni delle membrane alcaline presentavano gravi problemi di degradazione chimica nel tempo. Tuttavia, dopo il 2023 si è verificato un cambiamento radicale, grazie a significativi miglioramenti della stabilità apportati dai produttori. Attualmente, i test sul campo dimostrano che queste membrane migliorate durano ben oltre 10.000 ore di funzionamento, anche in condizioni di carico variabile e in ambienti reali.

Flessibilità operativa per l'integrazione delle energie rinnovabili: risposta dinamica ed efficienza a carico ridotto

Superiore stabilità di AEM a carico ridotto e velocità di rampa più elevate con ingresso intermittente da fonti solari/eoliche

Gli elettrolizzatori AEM mantengono stabile l'efficienza in termini di tensione anche quando funzionano al solo 10–20 percento della loro capacità massima, valore molto inferiore rispetto al minimo tipico dei sistemi PEM, che si attesta intorno al 30 percento. Ciò rende la tecnologia AEM particolarmente adatta per il collegamento diretto a fonti rinnovabili caratterizzate da fluttuazioni naturali. Questi sistemi raggiungono la potenza nominale in circa 30 secondi, quasi il doppio della velocità dei modelli PEM standard. Inoltre, riescono a mantenere una stabilità della tensione superiore al 98 percento anche durante quei momenti critici in cui il vento cala o le nuvole oscurano i pannelli solari. Il tempo di risposta rapido comporta una minore dispersione complessiva di energia e riduce la necessità di costose soluzioni di accumulo, particolarmente rilevante per impianti su scala ridotta, dove spazio e budget sono fattori determinanti.

Vantaggi della progettazione del sistema per il deployment decentralizzato: ingombro, modularità e semplicità della BoP

L’architettura AEM a singolo strato riduce l’ingombro e consente unità modulari plug-and-play

Gli elettrolizzatori AEM presentano una progettazione integrata a cella singola che riduce i requisiti di spazio fisico di circa il 40% rispetto a quelle configurazioni PEM a più stack. Ciò li rende ideali per luoghi in cui lo spazio è limitato, come sui tetti, all’interno di aree industriali o in zone remote. Il sistema idraulico semplificato, unitamente al minor numero di interconnessioni, comporta una minore complessità per i componenti del bilancio d’impianto e consente un risparmio di circa il 30% sulle relative spese. Inoltre, questi moduli standardizzati possono essere collegati facilmente tra loro, consentendo un’espansione semplice e diretta quando necessario. Installazioni reali hanno dimostrato che i tempi di installazione sono circa la metà rispetto al passato e che i team di manutenzione necessitano di uno spazio significativamente ridotto per operare su questi sistemi. Questi vantaggi pratici diventano particolarmente preziosi nella costruzione di reti decentralizzate di idrogeno distribuite su diverse località.

Domande frequenti

Quali materiali utilizzano i sistemi AEM al posto dei metalli del gruppo del platino?

I sistemi AEM utilizzano catalizzatori a nichel-ferro, che sono meno costosi e più abbondanti dei metalli del gruppo del platino.

In che modo i sistemi AEM offrono vantaggi alle aziende in termini di purezza dell’acqua?

I sistemi AEM possono gestire acqua con una conducibilità più elevata, riducendo i costi di pretrattamento dal 15 al 30 percento rispetto ai sistemi PEM.

Qual è la durata tipica di uno stack AEM?

Gli stack AEM hanno generalmente una durata di circa 10.000 ore di funzionamento e le proiezioni indicano che potrebbero raggiungere fino a 80.000 ore in futuro.

Perché i sistemi AEM sono considerati adatti per un impiego decentrato?

I sistemi AEM presentano un’architettura a singolo strato che riduce l’ingombro e migliora la modularità, consentendo un’installazione facile plug-and-play, rendendoli adatti a zone con spazio limitato.