La produzione di idrogeno potrebbe cambiare radicalmente grazie a una scoperta che arriva dall’Università di Birmingham. Un gruppo di ricercatori ha sviluppato un nuovo catalizzatore a base di perovskite capace di separare l’acqua in idrogeno e ossigeno a temperature molto più basse rispetto alle tecnologie attuali. Parliamo di un salto enorme, il tipo di progresso che potrebbe rendere l’idrogeno pulito non solo più economico, ma anche più semplice da generare vicino a fabbriche, acciaierie, cementifici e impianti di energia rinnovabile. Il concetto di fondo è tanto elegante quanto pratico: sfruttare il calore di scarto industriale per alimentare la produzione di un combustibile che, quando viene bruciato, rilascia solo acqua e calore. Niente anidride carbonica, niente inquinanti fossili.

Oggi circa il 95% dell’idrogeno prodotto nel mondo dipende ancora dai combustibili fossili. I sistemi termochimici esistenti per la scissione dell’acqua richiedono temperature fra 700 e 1000 gradi per la fase di splitting, e addirittura fra 1300 e 1500 gradi per la rigenerazione del catalizzatore. Numeri che rendono tutto costoso e poco flessibile. Il team guidato dal professor Yulong Ding ha dimostrato che il loro catalizzatore a perovskite BNCF genera quantità significative di idrogeno già fra 150 e 500 gradi, con una rigenerazione possibile fra 700 e 1000 gradi. Circa 500 gradi in meno rispetto agli approcci tradizionali. I risultati sono stati pubblicati sull’International Journal of Hydrogen Energy.

Vantaggi economici rispetto all’idrogeno verde e blu

Oltre all’aspetto tecnico, c’è un dato che fa riflettere parecchio. Un’analisi economica preliminare condotta dai ricercatori suggerisce che la scissione termochimicadell’acqua con questo catalizzatore potrebbe costare meno sia dell’idrogeno verde (prodotto per elettrolisi) sia dell’idrogeno blu (ottenuto dal metano con cattura della CO2). Il vantaggio risulta particolarmente marcato nelle aree dove l’elettricità rinnovabile costa poco, come ad esempio l’Australia.

Ma la cosa davvero interessante la spiega lo stesso professor Ding: se l’idrogeno viene prodotto e utilizzato localmente, si eliminano i problemi legati a stoccaggio e trasporto. E quindi anche la necessità di infrastrutture costose. Questo è un punto chiave, perché uno dei freni storici alla diffusione dell’idrogeno come combustibile è sempre stato proprio il costo della logistica.

Come funziona il catalizzatore e perché è così promettente

Le perovskiti sono materiali con una struttura reticolare capace di assorbire ossigeno e facilitare la rottura dei composti che lo contengono. Il team di Birmingham si è concentrato su un gruppo specifico, le perovskiti BNCF, composte da bario, niobio, calcio e ferro. Elementi relativamente abbondanti, che non richiedono processi produttivi complessi e non contengono ingredienti tossici.

Fra i materiali testati, la versione chiamata BNCF100 ha ottenuto le prestazioni migliori. Ha mantenuto la capacità di produrre idrogeno per oltre 10 cicli produttivi consecutivi, e le analisi con diffrazione a raggi X hanno rivelato cambiamenti strutturali minimi. Tradotto: il materiale è stabile e duraturo.

L’Università di Birmingham sta ora lavorando alla commercializzazione della tecnologia nel Regno Unito e in Europa, in collaborazione con la University of Science and Technology di Pechino. È già stata depositata una domanda di brevetto per l’uso dei catalizzatori BNCF nella scissione dell’acqua a bassa temperatura, e si cercano partner industriali per portare avanti lo sviluppo. La strada verso un’economia dell’idrogeno davvero accessibile potrebbe essere appena diventata un po’ meno in salita.

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Un team di ricercatori dell’Università di Hong Kong ha sviluppato un acciaio inossidabile talmente resistente da lasciare di stucco perfino chi lo ha creato. Il materiale, battezzato SS-H2, è stato progettato per sopravvivere alle condizioni estreme richieste dalla produzione di idrogeno verde a partire dall’acqua di mare, e lo fa grazie a un meccanismo di protezione doppio che nessuno si aspettava. Parliamo di qualcosa che potrebbe sostituire i costosissimi componenti in titanio attualmente impiegati negli elettrolizzatori industriali, con un impatto economico enorme.

Il progetto, guidato dal Professor Mingxin Huang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’HKU, si inserisce nel più ampio programma “Super Steel” che negli anni ha già prodotto risultati notevoli: un acciaio anti COVID nel 2021, leghe ultra resistenti nel 2017 e 2020. Ma questa volta la scoperta ha un sapore diverso, perché tocca uno dei nodi più critici della transizione energetica.

Il problema è noto a chiunque si occupi di elettrolisi dell’acqua di mare: sale, ioni cloruro, reazioni collaterali e corrosione distruggono rapidamente i componenti degli elettrolizzatori. È per questo che oggi si usano parti in titanio rivestite con metalli preziosi come oro o platino. Funzionano, certo. Ma costano una fortuna. Per un sistema di elettrolisi PEM da 10 megawatt, i componenti strutturali possono rappresentare fino al 53% del costo totale. Secondo le stime del team di Hong Kong, passare al nuovo acciaio inossidabile SS-H2 potrebbe ridurre quel costo di circa 40 volte.

Perché l’acciaio tradizionale non regge e cosa rende SS-H2 diverso

L’acciaio inossidabile si protegge dalla corrosione da oltre un secolo grazie al cromo, che forma una pellicola passiva sulla superficie. Funziona benissimo in condizioni normali, ma c’è un limite strutturale: quando i potenziali elettrici salgono troppo, quel film protettivo si degrada. Il cromo stabile (Cr2O3) viene ulteriormente ossidato in specie solubili, causando la cosiddetta corrosione transpassiva già intorno ai 1000 mV. Peccato che per l’ossidazione dell’acqua servano almeno 1600 mV. Anche il 254SMO, un super acciaio inossidabile considerato un punto di riferimento per la resistenza in ambiente marino, non riesce a reggere quei livelli.

Ed è qui che entra in gioco la strategia del team HKU, chiamata “dual passivation sequenziale”. L’SS-H2 non si limita allo scudo tradizionale a base di cromo. Intorno ai 720 mV si forma un secondo strato protettivo a base di manganese, che si sovrappone al primo. Questo doppio scudo consente al materiale di resistere alla corrosione fino a un potenziale straordinario di 1700 mV, anche in ambienti ricchi di cloruro.

La cosa davvero sorprendente? Il manganese è sempre stato considerato un nemico della resistenza alla corrosione nell’acciaio inossidabile. Il Dr. Kaiping Yu, primo autore dello studio, lo ha ammesso candidamente: all’inizio nemmeno loro ci credevano. Lo hanno definito una scoperta “controintuitiva, che non può essere spiegata con le conoscenze attuali nella scienza della corrosione.” Solo dopo aver accumulato risultati a livello atomico, il team si è convinto.

Dalla sorpresa di laboratorio alla produzione industriale

Dalla prima osservazione alla pubblicazione sono passati quasi sei anni. Il percorso ha richiesto pazienza, verifiche incrociate e un lavoro certosino per passare dalla scoperta scientifica alla spiegazione profonda del fenomeno. Ma il progetto non è rimasto confinato nei laboratori. Sono stati depositati brevetti in più paesi, due dei quali già concessi al momento dell’annuncio ufficiale. E soprattutto, tonnellate di filo a base di SS-H2 sono già state prodotte in collaborazione con una fabbrica nella Cina continentale.

Il Professor Huang ha spiegato che trasformare materiali sperimentali in prodotti reali come reti e schiume per elettrolizzatori resta una sfida complessa, ma il passo verso l’industrializzazione è stato significativo. Nel frattempo, la ricerca più recente sulla elettrolisi diretta dell’acqua di mare continua a confermare che corrosione, reazioni secondarie e durata limitata dei componenti restano i principali ostacoli alla commercializzazione su larga scala.

L’SS-H2 non è ancora una soluzione pronta all’uso per l’economia dell’idrogeno. Ma un acciaio inossidabile capace di resistere ad alte tensioni in acqua salata, sostituendo componenti in titanio da migliaia di euro, potrebbe rendere la produzione di idrogeno più economica, scalabile e davvero compatibile con le fonti rinnovabili. Per un settore dove costi e durabilità decidono il destino di ogni tecnologia, un materiale che si costruisce da solo un secondo scudo protettivo potrebbe fare molto più che stupire i ricercatori.

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Quando si parla di transizione energetica, l’idrogeno verde viene spesso presentato come la soluzione definitiva. E in effetti lo sarebbe, se non fosse per un paio di ostacoli piuttosto seri che nessuno ama mettere in primo piano. Costa troppo e, paradossalmente, la sua produzione dipende ancora da sostanze chimiche dannose per l’ambiente. Quelle che vengono chiamate PFAS, le cosiddette “sostanze chimiche eterne”, perché una volta rilasciate nell’ambiente non se ne vanno praticamente mai. Un progetto europeo chiamato SUPREME sta provando a cambiare le cose, e i primi segnali sono decisamente interessanti.

Il punto di partenza è semplice da capire. Oggi il metodo più promettente per produrre idrogeno verde si chiama elettrolisi PEM (dall’inglese proton exchange membrane). Funziona benissimo con le fonti rinnovabili, perché si adatta alle oscillazioni tipiche dell’energia eolica e solare. Il problema? Resta molto più costoso rispetto alla produzione di idrogeno da combustibili fossili. E poi c’è la questione dei PFAS, che l’Unione Europea ha già messo nel mirino con piani di eliminazione progressiva, proprio per i rischi che comportano per la salute e per gli ecosistemi. Insomma, l’idrogeno verde rischia di essere pulito solo a metà.

Un progetto europeo per eliminare le sostanze eterne e abbattere i costi

Ed è qui che entra in gioco il progetto SUPREME, finanziato dall’Unione Europea attraverso il programma CETPartnership (Clean Energy Transition Partnership) e cofinanziato dalla Commissione Europea. A guidare il consorzio è l’Università della Danimarca Meridionale, con la collaborazione della Graz University of Technology (TU Graz) e di altri partner sparsi per l’Europa. L’obiettivo dichiarato nei prossimi tre anni è sviluppare un sistema di elettrolisi completamente libero dai PFAS, più efficiente e con un utilizzo drasticamente ridotto di materie prime critiche come l’iridio.

Merit Bodner, dell’Istituto di Ingegneria Chimica e Tecnologia Ambientale della TU Graz, lo spiega con chiarezza: l’idrogeno viene già usato in quantità enormi come materia prima industriale, dalla produzione di ammoniaca a quella di metanolo, passando per il settore siderurgico. E la domanda è destinata solo a crescere. Se si riesce a eliminare le sostanze nocive dalla filiera produttiva e, contemporaneamente, a portare il prezzo dell’idrogeno verde a livelli competitivi con quello fossile, il passo avanti sarebbe enorme. Non solo per l’industria pesante, ma anche per lo stoccaggio dell’energia rinnovabile in eccesso, un tema che diventa sempre più urgente man mano che eolico e solare conquistano fette maggiori del mix energetico.

Il team della TU Graz ha un ruolo centrale nella valutazione di materiali alternativi ai PFAS già disponibili sul mercato. La domanda chiave è se questi materiali più sostenibili possano reggere il confronto con quelli attuali in termini di durata e prestazioni nell’uso industriale continuo. Nel frattempo, il consiglio scientifico turco TÜBITAK sta lavorando su una nuova generazione di membrane microporose prive di PFAS, pensate specificamente per i sistemi di elettrolisi di domani.

Meno iridio, più riciclo: la sfida dei metalli rari

L’altro fronte caldo riguarda l’iridio, un metallo del gruppo del platino indispensabile nell’elettrolisi PEM ma costosissimo e difficile da reperire. L’Università della Danimarca Meridionale e l’azienda britannica Ceimig, specializzata in metalli e catalizzatori, stanno esplorando strategie per tagliare l’uso di iridio fino al 75 percento. E non si fermano qui: stanno anche sviluppando metodi di riciclo capaci di recuperare circa il 90 percento dell’iridio ancora necessario nel processo.

Il progetto coinvolge anche altri partner con competenze molto specifiche. Il Fraunhofer ISE in Germania si occupa della produzione delle unità elettrodiche a membrana, mentre la società norvegese Element One Energy AS sta progettando un nuovo elettrolizzatore rotante pensato per migliorare le prestazioni complessive del sistema.

Quello che rende il progetto SUPREME davvero rilevante non è solo l’ambizione tecnica, ma il fatto che affronta contemporaneamente i due nodi più critici dell’idrogeno verde: il costo e l’impatto ambientale della produzione stessa. Perché se la soluzione al cambiamento climatico genera a sua volta inquinamento persistente, qualcosa non torna. E finalmente qualcuno sta provando a far quadrare i conti.

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