Idrogeno dell'acqua di mare

GLI SCIENZIATI hanno sviluppato un sistema in grado di produrre idrogeno verde direttamente dall'acqua di mare senza la necessità di processi di pretrattamento come la desalinizzazione. Il team dietro lo sviluppo, che prevede l’introduzione di uno strato di acido di Lewis su un catalizzatore di ossido di metallo di transizione, afferma che il metodo mostra un alto potenziale per l’applicazione commerciale.

Oltre il 97% dell’acqua sulla superficie terrestre è acqua salata negli oceani, il 2% è immagazzinato come acqua dolce nelle calotte polari, nei ghiacciai e nelle catene montuose innevate e solo l’1% è disponibile per le nostre esigenze quotidiane di approvvigionamento idrico.

 
L’acqua salata può essere trasformata in acqua potabile attraverso un processo chiamato desalinizzazione, una tecnica a cui si affidano alcune aree del mondo per produrre acqua dolce per il consumo umano e per uso domestico e industriale. Ma la desalinizzazione è un processo che richiede molta energia e, peggio ancora, è spesso alimentato da fonti energetiche insostenibili.

Anche la suddivisione dell’acqua nelle sue parti costitutive è ben compresa. Il processo, noto come elettrolisi, utilizza una corrente continua tra due elettrodi immersi in un elettrolita per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno si forma sul catodo, o elettrodo negativo, e l'ossigeno sull'elettrodo positivo, o anodo.

Poiché una miscela di gas può esplodere, la maggior parte degli elettrolizzatori separa l'anodo e il catodo con un foglio di plastica spesso e poroso e per accelerare le reazioni vengono utilizzati catalizzatori metallici come nichel e ferro.

Mettere insieme entrambi questi processi, vale a dire la desalinizzazione dell'acqua di mare, e poi dividerla per creare idrogeno, è stato a lungo acclamato come una delle migliori soluzioni per fornire un combustibile pulito e conveniente per l'energia, che a sua volta potrebbe alimentare qualsiasi cosa, dall'elettricità di una città, alla produzione di energia. acciaio, produzione di fertilizzanti e persino come carburante per gli aeroplani: l’elenco dei potenziali usi è lungo.

Tuttavia, uno dei motivi per cui non stiamo già utilizzando l’idrogeno per volare intorno al mondo è che l’acqua salata e altre impurità corrodono gli elettrodi, accorciandone la vita. Poiché questi componenti sono generalmente realizzati con metalli rari come il platino, continuare a sostituirli costa troppo. Anche gli ioni cloruro nell'acqua di mare rappresentano un problema e le reazioni di elettroossidazione del cloro (ClOR) competono con la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) sull'anodo durante l'elettrolisi. Questa reazione provoca il rilascio di specie di cloro tossiche e corrosive come l'ipoclorito. L'ipoclorito è relativamente instabile, può rilasciare gas di cloro tossico se miscelato con ammoniaca o acido e può anche corrodere l'acciaio inossidabile.

Per ovviare a questo problema, l’acqua di mare potrebbe essere desalinizzata e purificata prima di essere trattata, ma anche questo non è sempre finanziariamente sostenibile. Un’altra opzione è rivestire gli elettrodi con polianioni per sopprimere la corrosione, ma anche questo può essere costoso.

Poche soluzioni climatiche sono prive di svantaggi. L’idrogeno “verde”, prodotto utilizzando energia rinnovabile per dividere le molecole d’acqua, potrebbe alimentare veicoli pesanti e decarbonizzare industrie come quella siderurgica senza emettere un soffio di anidride carbonica. Ma poiché le macchine per la scissione dell’acqua, o elettrolizzatori, sono progettate per funzionare con acqua pura, l’incremento dell’idrogeno verde potrebbe esacerbare la carenza globale di acqua dolce. Ora, diversi gruppi di ricerca stanno segnalando progressi nella produzione di idrogeno direttamente dall’acqua di mare, che potrebbe diventare una fonte inesauribile di idrogeno verde.

Oggi, quasi tutto l’idrogeno viene prodotto scomponendo il metano, bruciando combustibili fossili per generare il calore e la pressione necessari. Entrambi i passaggi rilasciano anidride carbonica. L’idrogeno verde potrebbe sostituire questo idrogeno sporco, ma al momento costa più del doppio, circa 5 dollari al chilogrammo. Ciò è in parte dovuto al costo elevato degli elettrolizzatori, che si basano su catalizzatori realizzati con metalli preziosi. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha recentemente lanciato uno sforzo decennale per migliorare gli elettrolizzatori e ridurre il costo dell’idrogeno verde a 1 dollaro al chilogrammo.

Se ci riuscissero e la produzione di idrogeno verde salisse alle stelle, la pressione potrebbe aumentare sulle forniture mondiali di acqua dolce. Per generare 1 chilogrammo di idrogeno mediante elettrolisi sono necessari circa 10 chilogrammi di acqua. Secondo l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili, far funzionare camion e industrie chiave con l’idrogeno verde potrebbe richiedere circa 25 miliardi di metri cubi di acqua dolce all’anno, equivalenti al consumo di acqua di un paese con 62 milioni di persone.

L’acqua di mare è quasi illimitata, ma dividerla comporta i suoi problemi. Gli elettrolizzatori sono costruiti in modo molto simile alle batterie, con una coppia di elettrodi circondati da un elettrolita acquoso. In un progetto, i catalizzatori al catodo dividono le molecole d'acqua in ioni idrogeno (H+) e idrossile (OH-). Gli elettroni in eccesso sul catodo uniscono le coppie di ioni idrogeno formando idrogeno gassoso (H2), che fuoriesce dall'acqua. Gli ioni OH-, nel frattempo, viaggiano attraverso una membrana tra gli elettrodi per raggiungere l'anodo, dove i catalizzatori trasformano l'ossigeno in ossigeno gassoso (O2) che viene rilasciato.

Quando si utilizza l’acqua di mare, tuttavia, la stessa scossa elettrica che genera O2 all’anodo converte anche gli ioni cloruro presenti nell’acqua salata in gas di cloro altamente corrosivo, che corrode gli elettrodi e i catalizzatori. Ciò in genere causa il guasto degli elettrolizzatori in poche ore quando normalmente potrebbero funzionare per anni.

L'idrogeno è una sostanza chimica versatile utilizzata per la produzione di molti prodotti, compresi i fertilizzanti. L’idrogeno è anche un componente chiave della tecnologia delle celle a combustibile, che sfrutta l’elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili ma intermittenti come il solare e l’eolico. La maggior parte dell’idrogeno prodotto nel mondo deriva da un processo in cui il metano viene esposto al calore e al vapore per produrre idrogeno.

L’idrogeno può anche essere prodotto dall’elettrolisi dell’acqua, che utilizza l’elettricità per dividere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno alimentate da fonti rinnovabili come il solare e l’eolico. Ma c'è un problema. L’elettrolisi richiede acqua molto pulita che sia stata deionizzata, il che significa che tutte le impurità, i minerali e le particelle caricate elettronicamente devono prima essere rimosse. I processi convenzionali di purificazione dell’acqua richiedono attrezzature costose e possono comportare perdite di energia.

I ricercatori del Dipartimento di salute ambientale e ingegneria della Johns Hopkins University, in collaborazione con la Penn State University, hanno trovato un modo per utilizzare l'acqua di mare come fonte diretta di idrogeno, senza necessità di desalinizzazione preliminare. I loro risultati appaiono in Environmental Science & Technology.

"Abbiamo scoperto che possiamo utilizzare membrane composite a film sottile, che vengono utilizzate per purificare l'acqua salata, negli elettrolizzatori dell'acqua, dividendo l'acqua in gas idrogeno e ossigeno, evitando la produzione di gas di cloro dannoso, come accade con altri tipi di membrane."
Nel loro studio, Rossi e colleghi hanno testato le membrane composite a film sottile direttamente nell'elettrolizzatore, un dispositivo che utilizza l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, ottenendo in un unico passaggio sia la purificazione dell'acqua che la produzione di idrogeno. Hanno scoperto che la microstruttura porosa del materiale permetteva solo a piccoli protoni e ioni idrossido di migrare attraverso la membrana, respingendo le impurità e altri ioni che possono produrre reazioni indesiderate. I ricercatori affermano che questo nuovo approccio potrebbe sostituire i sistemi convenzionali, in cui vengono utilizzate costose membrane a scambio ionico in combinazione con acqua ultrapura.

"Le membrane economiche per la desalinizzazione dell'acqua possono essere un'alternativa alle più costose membrane a base di polimeri e possono essere utilizzate per la produzione di idrogeno da fonti idriche di bassa qualità come l'acqua di mare", ha affermato Rossi. "Il risultato è un efficiente processo di produzione dell'idrogeno da fonti energetiche rinnovabili che elimina la necessità di purificare l'acqua."

Ha notato che l’acqua di mare è difficile da utilizzare negli elettrolizzatori a causa della sua elevata salinità. Tuttavia, è abbondante e disponibile in luoghi come le zone costiere, dove è possibile generare elettricità rinnovabile come quella solare ed eolica, ma dove la disponibilità di acqua dolce è scarsa. In tali luoghi, in questo processo potrebbero essere potenzialmente utilizzate altre fonti idriche di bassa qualità, come le acque reflue, al posto dell’acqua di mare.

Il team finanziato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti ha integrato la tecnologia di purificazione dell’acqua in un nuovo progetto di prova per un elettrolizzatore dell’acqua di mare, che utilizza una corrente elettrica per dividere l’idrogeno e l’ossigeno nelle molecole d’acqua.

Secondo Bruce Logan, un ingegnere ambientale, questo nuovo metodo per la "scissione dell'acqua di mare" potrebbe rendere più semplice trasformare l'energia eolica e solare in un combustibile immagazzinabile e portatile.

"L'idrogeno è un ottimo combustibile, ma bisogna produrlo", ha detto Logan. "L'unico modo sostenibile per farlo è utilizzare energia rinnovabile e produrla dall'acqua. È inoltre necessario utilizzare l'acqua che le persone non vogliono utilizzare per altre cose, e quella sarebbe l'acqua di mare. Quindi, il Santo Graal della produzione di idrogeno sarebbe quello di combinare l’acqua di mare con l’energia eolica e solare che si trovano negli ambienti costieri e offshore”.

Nonostante l'abbondanza di acqua di mare, non è comunemente utilizzata per la scissione dell'acqua. A meno che l’acqua non venga desalinizzata prima di entrare nell’elettrolizzatore, un passaggio aggiuntivo costoso, gli ioni cloruro presenti nell’acqua di mare si trasformano in gas di cloro tossico, che degrada l’apparecchiatura e si diffonde nell’ambiente.

Per evitare ciò, i ricercatori hanno inserito una membrana sottile e semipermeabile, originariamente sviluppata per purificare l’acqua nel processo di trattamento dell’osmosi inversa. La membrana ad osmosi inversa ha sostituito la membrana a scambio ionico comunemente utilizzata negli elettrolizzatori.
"L'idea alla base dell'osmosi inversa è che si esercita una pressione molto elevata sull'acqua e la si spinge attraverso la membrana mantenendo gli ioni cloruro", ha detto Logan.

Attraverso una serie di esperimenti pubblicati su Energy & Environmental Science, i ricercatori hanno testato due membrane ad osmosi inversa disponibili in commercio e due membrane a scambio cationico, un tipo di membrana a scambio ionico che consente il movimento di tutti gli ioni caricati positivamente nel sistema.

L’energia pulita è una priorità assoluta per i paesi di tutto il mondo. Mentre l’energia convenzionale si basa su combustibili fossili come carbone, gas naturale e petrolio, l’energia pulita si presenta in varie forme come solare, eolica, geotermica, idroelettrica e biomassa.

Anche l’idrogeno è una delle principali opzioni di stoccaggio dell’energia per le energie rinnovabili e potrebbe contribuire a ridurre gli elevati livelli di emissioni di carbonio.
La ricerca attuale suggerisce che l’elettrolisi dell’acqua salata – il processo di scissione dell’acqua in ossigeno e idrogeno – è una soluzione praticabile alle sfide comuni dell’elettrolisi dell’acqua dolce. L’elettrolisi dell’acqua di mare potrebbe produrre idrogeno sostenibile senza peggiorare la carenza globale di acqua dolce.

Secondo il Centro dati sui combustibili alternativi del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti, l’idrogeno puro è un elemento abbondante sulla Terra che mostra una grande promessa nel sostenere la transizione verso un’energia pulita, sostenibile e rinnovabile.

Una volta prodotto, l’idrogeno può generare elettricità in una cella a combustibile ed emette solo vapore acqueo e aria calda. Poiché l’idrogeno non rilascia gas serra, ossidi di azoto, idrocarburi o altre particelle, non influisce negativamente sull’ambiente.
L’idrogeno presenta altri vantaggi che contribuiranno a creare un’economia basata sull’energia pulita. È una soluzione energetica ottimale in aree tipicamente difficili da decarbonizzare. Aumenta l’affidabilità e la resilienza della moderna rete elettrica. Può anche migliorare la salute pubblica e lo stato dell’ambiente.

Inoltre, può aumentare il numero di opportunità di lavoro e la sicurezza energetica nelle industrie globali. Può aiutare il settore dei trasporti a diventare più sostenibile e sostenere il passaggio ai veicoli elettrici (EV). E può contribuire ad aumentare le entrate e rafforzare l’economia mondiale.

Una sfida che fa aumentare i costi associati alla produzione di idrogeno verde è che gli elettrolizzatori richiedono acqua ultrapura. Ciò rende difficile l’elettrolisi tradizionale dell’acqua salata perché molte fonti d’acqua sono piene di contaminanti.
Sebbene l’EPA abbia requisiti rigorosi per l’acqua a causa della presenza di piombo, cloro e batteri, ciò non significa necessariamente che tutta l’acqua sia priva di contaminanti.

Elettrolisi dell'acqua di mare
La ricerca sull'elettrolisi dell'acqua di mare è emersa all'inizio del XIX secolo. Sebbene gli scienziati abbiano fatto progressi nella produzione di idrogeno, questo non ha mai guadagnato terreno né è diventato una soluzione energetica praticabile. Nel 20° secolo, l’idrogeno veniva estratto principalmente dal gas naturale e utilizzato per alimentare automobili, autobus, dirigibili e razzi.

Sebbene l’utilizzo di questo idrogeno fosse fattibile, la sua produzione era ad alta intensità energetica e contribuiva alle emissioni di carbonio, una delle principali cause del cambiamento climatico. Inoltre, alcune città filtrano i rifiuti solidi urbani con la tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno, che produce idrogeno e previene la contaminazione derivante dai rifiuti nelle riserve idriche locali.

Vari ricercatori e scienziati stanno sviluppando tecnologie avanzate utilizzando l’elettrolisi dell’acqua di mare per evitare queste sfide. Se queste tecnologie funzioneranno correttamente, produrranno idrogeno sostenibile senza utilizzare risorse di acqua dolce o contribuire alle emissioni di carbonio.

I prodotti vengono venduti in tutte le regioni della Cina ed esportati in paesi di tutto il mondo. Sono stati venduti in più di 20 paesi e regioni tra cui Stati Uniti, Germania, Marocco, Kenya, Arabia Saudita, Vietnam, Algeria, India, Tanzania e Taiwan. Hanno fornito con successo aziende rinomate come China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group e altre aziende rinomate. Ci sono molte stazioni di idrogenazione dell'idrogeno verde come Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, ecc. che forniscono progetti verdi e per la produzione di idrogeno.