Perché il costo del catalizzatore è il collo di bottiglia critico nella produzione di idrogeno verde

Il costo della produzione di idrogeno verde si attesta ancora intorno a 3,8-11,9 dollari al chilogrammo, un valore molto superiore rispetto a quello che paghiamo per alternative fossili come la reformazione del metano a vapore, il cui prezzo varia da 1,5 a 6,4 dollari al kg. Questo divario di prezzo rende difficile scalare le operazioni. Le spese in conto capitale per gli elettrolizzatori rimangono un costo significativo, in particolare per i sistemi a membrana a scambio protonico (PEM), il cui costo tipico oscilla tra gli 800 e i 1.500 dollari per kW. Analizzando più da vicino questi costi emerge un aspetto interessante: la maggior parte della spesa riguarda i catalizzatori. I metalli del gruppo del platino, come iridio e platino, rappresentano quasi la metà del costo degli stack PEM. Solo per gli anodi PEM, servono circa 1-2 milligrammi per centimetro quadrato di iridio, un metallo così raro ed economicamente elevato che il prezzo supera spesso i 7.400 dollari al kg. Il problema peggiora perché le forniture globali non riescono a tenere il passo con la crescita prevista della domanda. Questa dipendenza da materiali scarsamente disponibili crea rischi sia per il controllo dei costi sia per la stabilità delle catene di approvvigionamento. Raggiungere l'obiettivo industriale di 150 dollari per kW per gli elettrolizzatori, puntando a 1 dollaro al kg di idrogeno, richiederà riduzioni significative sia nei costi sia nelle quantità utilizzate di catalizzatori. Gli elettrolizzatori a membrana a scambio alcalino (AEM) potrebbero fornire proprio la soluzione semplice necessaria per raggiungere tali obiettivi su larga scala.

Architettura dell'Elettrolizzatore AEM: Abilitazione di Carichi Ultra-Bassi di Catalysti Non-PGM

Membrana Conduttrice di Idrossido Consente un Funzionamento Stabile con Ossidi di Nichel e Ferro

Le membrane a scambio anionico (AEM) funzionano conducendo ioni idrossido (OH-), creando un ambiente alcalino molto diverso dalle condizioni acide presenti nei sistemi PEM. La natura alcalina contribuisce effettivamente a stabilizzare quei catalizzatori non-PGM abbondanti in natura, come ossidi di nichel e ferro, sul lato dell'anodo. Ciò significa che otteniamo una buona attività per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) senza che questi materiali si degradino troppo rapidamente. Per anni, la stabilità è stato un problema importante che ostacolava l'uso dei catalizzatori non-PGM, ma le cose sono cambiate recentemente. Nuovi sviluppi nella chimica delle membrane insieme a progettazioni migliorate degli elettrodi permettono a questi sistemi di funzionare stabilmente a densità di corrente industriale superiori a 0,5 A per centimetro quadrato per migliaia di ore operative. Ciò che rende particolarmente preziose le moderne membrane AEM è la loro capacità di impedire che le particelle del catalizzatore si dissolvano durante il funzionamento. Mantengono i livelli richiesti di conducibilità ionica anche in presenza di carichi variabili, eliminando così la necessità di metalli nobili costosi solo per contrastare la corrosione. Ciò porta infine a un equipaggiamento complessivamente molto più duraturo.

Confronto: Carico di iridio in AEM vs. PEM

Le differenze nel carico del catalizzatore evidenziano il vantaggio strutturale dell'AEM. Gli elettrolizzatori PEM si basano esclusivamente su anodi di ossido di iridio (IrO₂) per resistere alle condizioni acide corrosive. Al contrario, i sistemi AEM funzionano con:

• Catalizzatori senza PGM (ad esempio idrossidi ossidati di NiFe), che non richiedono alcun iridio, oppure
• Rivestimenti con tracce di PGM , tipicamente <0,1 mg/cm², utilizzati solo per un lieve miglioramento delle prestazioni.

Questo rappresenta una riduzione significativa del consumo di iridio. La tabella seguente riassume le principali implicazioni:

Un carico inferiore riduce direttamente il CAPEX dello stack di circa il 30% e protegge i progetti dalla volatilità dei prezzi dei metalli del gruppo del platino (PGM), elemento cruciale per il finanziamento a lungo termine e la bancabilità dei progetti.

Vantaggi nei materiali, nella progettazione e nella scala che riducono il CAPEX del catalizzatore AEM

Catalizzatori a base di materiali abbondanti in natura riducono la dipendenza dalle materie prime e il rischio di volatilità

Gli elettrolizzatori a membrana di scambio alcalino (AEM) sostituiscono l'iridio, un metallo raro prodotto a livello globale in quantità comprese tra 7 e 10 tonnellate all'anno, con nichel e ferro. Queste alternative sono circa 10.000 volte più abbondanti e fanno effettivamente parte di mercati stabili e ad alto volume in tutto il mondo. I sistemi tradizionali a membrana per scambio protonico (PEM) destinano circa dal 40 al 60 percento delle loro spese in conto capitale per gli stack a metalli del gruppo dei preziosi, mentre la tecnologia AEM reindirizza tali fondi verso materiali più economici e facilmente reperibili. Ricerche pubblicate su riviste sottoposte a peer review mostrano che gli anodi AEM privi di PGM possono raggiungere oltre il 95% dell'attività della reazione di evoluzione dell'ossigeno tipica dei sistemi PEM, anche a livelli di corrente industriali, riducendo le spese per i materiali catalitici fino al 90%. L’analisi delle dinamiche di mercato rende questa transizione ancora più convincente. I prezzi dell'iridio sono aumentati di quasi l'800% tra il 2020 e il 2023 a causa del restringimento delle forniture, mentre i prezzi dell'ossido di nichel e del ferro sono rimasti legati alle condizioni generali dei mercati industriali, senza subire volatilità così estreme.

Una Progettazione Semplificata delle Celle Riduce la Complessità Produttiva e il Costo di Integrazione del Catalizzatore

La capacità della tecnologia AEM di operare in ambienti alcalini permette di semplificare notevolmente la progettazione complessiva di queste celle. Gli stack PEM richiedono ogni tipo di componenti costosi, tra cui piastre bipolari in titanio, guarnizioni resistenti agli acidi speciali e componenti rivestiti con metalli preziosi, solo per resistere alla corrosione. I sistemi AEM invece funzionano bene utilizzando parti comuni in acciaio inossidabile e guarnizioni polimeriche standard. Per quanto riguarda l'applicazione degli strati catalitici, i produttori dispongono di opzioni scalabili ed economiche. Tecniche come la verniciatura a spruzzo o la deposizione in continuo (roll to roll) risultano efficaci in questo contesto, il che significa che le aziende non devono investire in costose attrezzature per sputtering sotto vuoto né in complessi processi termici necessari per quegli strati estremamente sottili di iridio utilizzati nella tecnologia PEM. Tutti questi miglioramenti progettuali riducono i costi in tre aree principali:

• Materiali resistenti agli acidi per stack (risparmio di circa 220 $/kW),
• Infrastruttura di pretrattamento per acqua ultra-pura,
• Logistica per il recupero e il riciclo dei metalli nobili.

L'analisi del settore conferma che questi cambiamenti riducono i costi di integrazione del catalizzatore del 35-50%, accelerando il tempo necessario per raggiungere volumi produttivi e migliorando la coerenza dei rendimenti.

Impatto sull'economia dell'idrogeno verde: riduzione del LCOH grazie all'efficienza del catalizzatore AEM

La tecnologia dell'elettrolizzatore AEM riduce in modo significativo il costo livellizzato della produzione di idrogeno, poiché mira a uno dei costi più elevati nei sistemi di elettrolisi: i materiali del catalizzatore. Invece di utilizzare iridio costoso, questi sistemi impiegano composti a base di nichel e ferro il cui costo è inferiore del 70-80 percento circa. Inoltre, richiedono quasi nessun carico di catalizzatore. Questo approccio riduce i costi dei materiali senza compromettere le prestazioni, che rimangono molto elevate con un'efficienza compresa tra il 70 e il 75 percento quando si opera a 1 ampere per centimetro quadrato. Poiché i costi del catalizzatore tipicamente rappresentano dal 25 al 40 percento del costo complessivo di un elettrolizzatore, questa sostituzione da sola determina riduzioni significative delle spese in conto capitale. I vantaggi si moltiplicano considerando anche altri fattori. Una progettazione hardware semplificata, processi produttivi più agevoli e un funzionamento affidabile anche in presenza di fluttuazioni delle fonti energetiche rinnovabili contribuiscono ulteriormente a un'economia più vantaggiosa. Su larga scala, i sistemi AEM potrebbero potenzialmente portare il prezzo dell'idrogeno al di sotto di 2 dollari al chilogrammo, raggiungendo quel valore chiave necessario per competere efficacemente in settori in cui la decarbonizzazione è particolarmente impegnativa, come la produzione di acciaio verde e i trasporti pesanti. Man mano che i produttori aumentano i volumi di produzione, gli effetti della curva di apprendimento generano economie di scala, consolidando la posizione dell'AEM come attore chiave nel rendere l'idrogeno verde sia conveniente che realizzabile in mercati globali.

Domande Frequenti

Perché il costo del catalizzatore è cruciale nella produzione di idrogeno verde?

Il costo del catalizzatore è un fattore importante perché i materiali utilizzati, come iridio e platino, sono costosi e aumentano in modo significativo la spesa in conto capitale per gli elettrolizzatori come i sistemi PEM.

Come riducono questi costi gli elettrolizzatori AEM?

Gli elettrolizzatori AEM utilizzano materiali abbondanti sulla Terra come nichel e ferro, che sono molto più economici, riducendo così in modo significativo i costi dei materiali catalitici.

Qual è l'efficienza dei sistemi AEM rispetto ai sistemi PEM?

In generale, i sistemi AEM raggiungono un'efficienza compresa tra il 70 e il 75 percento, beneficiando anche di costi ridotti e di una stabilità migliorata rispetto ai sistemi PEM.

È possibile produrre idrogeno verde a costi competitivi?

Sì, grazie ai progressi nella tecnologia AEM, i costi dell'idrogeno verde potrebbero scendere al di sotto di 2 dollari al chilogrammo, rendendolo competitivo rispetto ai combustibili fossili.