Tendenze nello sviluppo dell'energia dell'idrogeno
Energia dell'idrogenoè una fonte energetica secondaria abbondante, verde, a basse emissioni di carbonio e ampiamente applicabile. Sta gradualmente diventando uno dei vettori importanti nella transizione energetica globale. La Cina è il più grande produttore di idrogeno al mondo, avendo inizialmente padroneggiato tecnologie e processi chiave relativi alla produzione, allo stoccaggio, al trasporto e al rifornimento di idrogeno, formando così una filiera industriale dell'energia dell'idrogeno relativamente completa. Negli ultimi anni, l'industria energetica dell'idrogeno della Cina si è sviluppata rapidamente, attraendo numerosi partecipanti e producendo numerose aziende note con un forte potere competitivo. Attualmente, le aziende leader del settore hanno stabilito vantaggi competitivi attraverso il potenziamento della ricerca e dello sviluppo tecnologico, la semplificazione dei collegamenti della filiera industriale, la creazione di reti di vendita e la coltivazione di talenti professionali.
In futuro, man mano che l'industria dell'energia a idrogeno continua a evolversi, la domanda dei clienti per la produzione di idrogeno aumenterà sempre di più, portando a un più forte consolidamento del settore. La quota di mercato delle aziende leader aumenterà gradualmente e le barriere all'ingresso nel settore dell'energia a idrogeno diventeranno più pronunciate. Per raggiungere gli obiettivi di picco di carbonio e neutralità carbonica, la Cina ha posizionato l'energia a idrogeno come una parte importante del suo futuro sistema energetico nazionale, un veicolo chiave per raggiungere una trasformazione verde e a basse emissioni di carbonio nei terminali di utilizzo finale dell'energia e un punto focale per le industrie emergenti strategiche e il futuro sviluppo industriale.
In risposta alle politiche nazionali, le aziende stanno praticando attivamente la strategia dual-carbon, impiegando tecnologie mature per garantire un funzionamento a ciclo lungo, stabile e affidabile. L'elettrolisi dell'acqua alcalina per la produzione di idrogeno si basa principalmente sulla tecnologia per catturare il mercato, sulla qualità per consolidarlo e sul servizio per espanderlo. Spinto dalla domanda del mercato, guidato dalla tecnologia e focalizzato sulla qualità per la reputazione, con l'innovazione come percorso per lo sviluppo, il settore mira a raggiungere davvero zero emissioni e inquinamento, lunga durata, monitoraggio e funzionamento digitali, sicurezza e modalità operative senza equipaggio, con qualità eccellente, fornitura tempestiva, prezzi ragionevoli e servizio di prim'ordine.
L'energia dell'idrogeno vanta vantaggi quali zero inquinamento, elevato potere calorifico e versatilità nello stoccaggio e nell'applicazione. L'elettrolisi dell'acqua può utilizzare energia rinnovabile e surplus di elettricità fluttuante per produrre idrogeno, rendendolo uno dei metodi più ideali ed ecologici per la produzione di idrogeno. Pertanto, lo sviluppo dell'elettrolisi di energia rinnovabile per la produzione di idrogeno è significativo per la sicurezza energetica e la riduzione di CO2. Tuttavia, attualmente solo il 4% dell'idrogeno a livello globale viene prodotto tramite elettrolisi dell'acqua, principalmente a causa degli elevati costi associati a questo metodo, in cui il consumo di elettricità e i costi dell'elettrolizzatore sono vincoli chiave per l'applicazione su larga scala.
Sotto l'impulso degli obiettivi dual-carbon, si prevede che i progressi nelle tecnologie di generazione di energia rinnovabile faranno scendere i prezzi dell'elettricità, fungendo da potente catalizzatore per lo sviluppo del settore della produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. La tecnologia dell'elettrolisi alcalina sta guadagnando attenzione per il suo basso costo, la lunga durata e le abbondanti fonti di materiali, rendendola adatta alla produzione di idrogeno su larga scala. Tuttavia, nelle applicazioni di produzione di idrogeno su larga scala, è ancora necessario migliorare ulteriormente la densità di corrente e l'efficienza energetica della tecnologia dell'elettrolisi alcalina per migliorare i suoi costi di apparecchiature ed elettricità. I materiali della membrana e degli elettrodi svolgono un ruolo cruciale e insostituibile in questo processo.
Prospettive future per la tecnologia di produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua
Il costo della produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua dipende principalmente dai costi dell'elettricità, dai costi di investimento dell'elettrolizzatore e dai carichi operativi, con i costi dell'elettricità che influenzano la sensibilità della produzione di idrogeno fino al 60-70%. Con la diminuzione dei costi dell'elettricità, la quota dei costi di investimento delle apparecchiature aumenterà gradualmente. I futuri fattori di riduzione dei costi deriveranno principalmente da prezzi dell'elettricità più bassi, tassi di utilizzo delle apparecchiature più elevati e progressi tecnologici per ridurre i costi dell'elettrolizzatore. Tuttavia, poiché la tecnologia dell'elettrolizzatore alcalino è già molto matura, la misura in cui i costi possono essere ridotti tramite l'innovazione tecnologica è limitata. Con un ulteriore sviluppo industriale, gli scenari applicativi futuri continueranno ad ampliarsi e il consumo su larga scala, a basso costo e a basso consumo energetico sono riconosciuti come consenso per lo sviluppo industriale.
Classificazione dei percorsi tecnologici per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua
Esistono quattro principali percorsi tecnologici per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua: elettrolisi dell'acqua alcalina (ALK), elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico (PEM), elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico (AEM).
Elettrolisi alcalina (ALK):Questo processo viene eseguito in una soluzione elettrolitica alcalina (tipicamente KOH), dove gli ioni OH- passano attraverso la membrana fino all'anodo, perdendo elettroni per produrre O2, mentre l'acqua al catodo guadagna elettroni per produrre H2 e OH-.
Elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM): Questo metodo elettrolizza l'acqua pura, dove le molecole di H2O vengono ossidate all'anodo per generare ossigeno e ioni H+. Gli H+ (protoni) migrano attraverso la membrana a scambio protonico verso il catodo sotto l'influenza del campo elettrico e subiscono una reazione di riduzione per generare idrogeno gassoso.
Elettrolisi di ossido solido (SOEC):Questo processo prevede la ionizzazione del vapore acqueo per generare ioni idrogeno e ossigeno ad alte temperature, solitamente superiori a 600 °C, rendendolo adatto alla produzione di vapore ad alta temperatura e alta pressione negli impianti solari termici.
Elettrolisi a membrana a scambio anionico (AEM):Questo processo solitamente utilizza acqua pura o una soluzione alcalina a bassa concentrazione come elettrolita, dove gli ioni OH- passano attraverso la membrana di scambio per raggiungere l'anodo e generare acqua e ossigeno, mentre le molecole d'acqua al catodo producono OH- e idrogeno gassoso.
Confronto dei percorsi del processo di produzione dell'idrogeno
Ogni metodo ha i suoi punti di forza e limiti:
Elettrolisi alcalina (ALK)
Vantaggi: Attualmente è la tecnologia più matura con bassi costi di attrezzatura.
Limitazioni: Liquido corrosivo; elevati costi di esercizio e manutenzione; efficienza teorica inferiore a quella di PEM e SOEC; difficile da applicare in fonti di energia intermittenti.
Elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM)
Vantaggi: Elevata adattabilità alle fonti di energia intermittenti, facile da integrare con energie rinnovabili come l'eolico e il solare; bassi costi di esercizio e manutenzione.
Limitazioni: Elevati costi delle attrezzature; richiede catalizzatori in metalli preziosi.
Elettrolisi di ossido solido (SOEC)
Vantaggi: Elevata efficienza teorica; può utilizzare catalizzatori di metalli non preziosi.
Limitazioni: Ambiente di reazione ad alta temperatura, scenari applicativi limitati; ancora nella fase di ricerca e sviluppo in laboratorio e non ancora commercializzato.
Elettrolisi a membrana a scambio anionico (AEM)
Vantaggi: Combina i vantaggi della tecnologia alcalina e PEM: bassi costi dei materiali; bassa corrosività dell'elettrolita (soluzione alcalina diluita o acqua); non richiede catalizzatori di metalli preziosi.
Limitazioni: Difficoltà nella produzione in serie di membrane a scambio anionico, ancora in fase di ricerca e sviluppo.
Il percorso dell'elettrolisi alcalina è maturo, il PEM mostra un forte potenziale di crescita, mentre SOEC e AEM hanno un promettente potenziale futuro.
