La transizione verso un sistema energetico globale a basse emissioni di carbonio richiede soluzioni sempre più efficienti per la produzione di idrogeno su larga scala. Attualmente, una delle sfide tecniche ed economiche maggiori per i convenzionali sistemi a elettrolizzatore è rappresentata dalla necessità di utilizzare acqua di altissima purezza, un vincolo che impone processi di desalinizzazione e purificazione complessi e costosi. L’impiego diretto di acqua di mare e di acqua salmastra potrebbe fungere da inesauribile fonte idrica alternativa, eliminando del tutto i lunghi passaggi intermedi di trattamento. Questa affascinante prospettiva risulta particolarmente strategica per le applicazioni costiere e offshore, dove l’elettricità generata dalle turbine per l’energia eolica può essere convertita immediatamente sul posto in un vettore energetico facilmente stoccabile e trasportabile. L’idrogeno ottenuto può poi essere ampiamente impiegato come materia prima per l’industria chimica, per l’approvvigionamento energetico civile o per la sintesi avanzata di ammoniaca e combustibili artificiali.
Il progetto SeaEly e la sinergia tra gli istituti Fraunhofer
Per concretizzare questa visione tecnologica, è nato il progetto SeaEly, un’iniziativa coordinata dal Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems, noto come Fraunhofer IWES, in stretta collaborazione con il Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials, ovvero il Fraunhofer IFAM. Finanziata generosamente dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco (BMFTR) nell’ambito del concorso di idee “Hydrogen Republic of Germany“, la ricerca si è posta l’obiettivo primario di indagare la fattibilità dell’elettrolisi diretta utilizzando l’acqua oceanica. Lo studio, sviluppato tra l’ottobre del 2022 e il marzo del 2026, ha coinvolto anche altri partner accademici e industriali di spicco come la Technische Universität Berlin, la Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG e l’Institute of Shipping Economics and Logistics. L’intento condiviso dal consorzio è stato quello di comprendere l’esatto livello di impurità tollerabile dai macchinari prima che l’usura e i malfunzionamenti rendano il processo antieconomico, studiando in profondità le infrastrutture necessarie per condurre valutazioni rigorose su scala industriale.
Lo sviluppo di membrane innovative per ambienti estremi
Nel cuore del processo elettrochimico, la corrente elettrica scinde ininterrottamente le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. In questo delicato meccanismo chimico, la membrana svolge un ruolo insostituibile agendo da setaccio ultra-fine: essa deve mantenere separati i due gas prodotti nelle rispettive camere di reazione, consentendo al contempo il passaggio selettivo degli ioni indispensabili per il processo. Quando si impiega l’acqua salmastra non trattata, la naturale presenza di cloruri e altri composti disciolti scatena però pericolose reazioni secondarie indesiderate, portando all’accumulo di detriti sulle superfici, all’invecchiamento precoce e a una severa corrosione dei materiali. Per ovviare a tali insidiose problematiche, gli scienziati del Fraunhofer IFAM hanno progettato membrane innovative appositamente studiate per resistere allo stress prolungato di questi elettroliti impuri. I ricercatori hanno inoltre sviluppato un banco di prova modulare all’avanguardia capace di esporre i campioni a svariate condizioni operative, al fine di individuare precocemente i depositi chimici e le alterazioni strutturali che inficiano la resa finale degli elettrolizzatori.
Infrastrutture di test avanzate e analisi dei materiali
La virtuosa combinazione tra la progettazione chimica di nuovi polimeri e le severe campagne di collaudo pratico fornisce una base di conoscenze essenziale per prevedere la vita utile dell’intera componentistica. Oltre alle misurazioni puramente elettrochimiche di rito, i laboratori del Fraunhofer IFAM si avvalgono oggi di tecniche di microscopia elettronica a scansione e di complesse metodologie spettroscopiche, tra cui EDX, XPS e TOF-SIMS, per condurre una scrupolosa analisi dei materiali a seguito dello stress termico e chimico. In parallelo, gli ingegneri del Fraunhofer IWES hanno costruito una piattaforma di collaudo multifunzionale e di dimensioni maggiori per analizzare e confrontare le diverse tecnologie di elettrolisi, testando direttamente con l’acqua salata i sistemi alcalini, le celle a membrana a scambio protonico (PEM) e quelle a scambio anionico (AEM). Grazie a questa eccezionale sinergia tecnica, i prototipi che si dimostrano promettenti nelle piccole celle di prova vengono immediatamente trasferiti su scala pilota, permettendo agli esperti di monitorare sia il comportamento intrinseco dei singoli elementi sia le intricate interazioni fisiche che si generano tra le molteplici celle e i moduli accessori dell’impianto industriale.
Dalla ricerca teorica alla stabilità a lungo termine
I solidi e promettenti risultati ottenuti durante gli studi iniziali di fattibilità hanno gettato le basi per passare a una fase sperimentale successiva, fortemente incentrata sulla stabilità a lungo termine degli impianti offshore. Le complesse infrastrutture realizzate all’interno dell’iniziativa supportano ora una fitta serie di collaudi prolungati e sistematici atti a valutare l’impatto reale e duraturo della composizione dell’elettrolita sull’invecchiamento delle strutture. Questo traguardo scientifico non si ferma tuttavia alla sola conclusione formale del progetto di ricerca: gli innovativi banchi di prova continueranno ad essere sfruttati intensivamente dai due istituti di ricerca per testare un’ampia varietà di fonti idriche alternative e validare commercialmente i componenti del domani. Inoltre, queste formidabili attrezzature all’avanguardia sono state rese disponibili fin da subito per nuovi progetti industriali esterni e collaborazioni aziendali, aprendo concretamente le porte a una futura e fiorente economia dell’idrogeno che possa operare in modo completamente indipendente dalle riserve globali di acqua potabile.
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