I rifrattometri Vaisala rendono possibile lo sviluppo di elettrolizzatori avanzati per la produzione di idrogeno verde

La generazione di idrogeno verde mediante elettrolisi dell'acqua rappresenta una promettente opportunità di decarbonizzazione. Tuttavia, le prestazioni degli elettrolizzatori dipendono fortemente dalle caratteristiche e dalla stabilità dei loro componenti. In Germania, un gruppo di ingegneri è impegnato nello sviluppo di un test bench per l'elettrolisi alcalina.

La capacità di monitorare con precisione e affidabilità gli elettroliti in una soluzione estremamente aggressiva è un fattore chiave per il successo di questo progetto. Dopo aver valutato molteplici tecnologie, i ricercatori hanno riscontrato che i rifrattometri in linea di Vaisala erano in grado di soddisfare i loro rigorosi requisiti.

I partner del progetto sono iChemAnalytics GmbH, fornitore di servizi ingegneristici, Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG, azienda specializzata in galvanoplastica, e Hillebrand Chemicals, specialisti in rivestimenti.

Scenario

L'idrogeno rappresenta una promettente opportunità per il mondo che cerca di decarbonizzare la propria infrastruttura energetica allo scopo di raggiungere l'obiettivo Net Zero. È un dato di fatto che l'idrogeno ha un elevato potere calorifico e che la sua combustione non genera emissioni di gas serra. Attualmente, tuttavia, la produzione di idrogeno avviene principalmente tramite processi ad alto impiego di combustibili fossili che generano il cosiddetto "idrogeno grigio", responsabile di circa il 2% delle emissioni di carbonio a livello globale.

Grazie all'uso dell'elettrolisi dell'acqua alimentata da energia rinnovabile è possibile ottenere "idrogeno verde", una significativa opportunità di decarbonizzazione che suscita notevole interesse per gli elettrolizzatori efficienti e sostenibili.

Gli elettrolizzatori alcalini per produrre idrogeno utilizzano la corrente elettrica per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno, impiegando una soluzione alcalina liquida, come l'idrossido di potassio (KOH), come elettrolita. In genere, la soluzione contiene dal 15 al 30% di KOH ed è molto aggressiva. L'elettrolita 
è contenuto tra due elettrodi, normalmente a base di nichel, separati da una membrana o un diaframma poroso. In corrispondenza del catodo viene prodotto idrogeno gassoso, mentre in corrispondenza dell'anodo viene prodotto ossigeno gassoso. Il diaframma separa i gas e trasporta gli ioni idrossido dal catodo all'anodo per completare il circuito.  

Obiettivi del progetto

I lavori sono iniziati nel 2023 e ne è prevista la conclusione a metà del 2026. I principali obiettivi previsti erano: 
1. Creare un banco di collaudo funzionante e completamente automatizzato per stack di elettrolizzatori 
2. Sviluppare un nuovo rivestimento per elettrodi che si mantenesse stabile per oltre 80.000 ore 
3. Valutare i rivestimenti prototipo in una gamma di condizioni operative diverse

Perché misurare la forza degli elettroliti?

Ogni lato della membrana dell'elettrolizzatore del test bench contiene una soluzione al 30% di KOH: un liquido alcalino altamente concentrato, forte e corrosivo, composto da 30% di idrossido di potassio e 70% di acqua in peso. Durante l'elettrolisi cambia il rapporto tra le percentuali di KOH sui due lati della membrana. Ciò è importante per diversi motivi. La vita utile dei componenti e le reazioni all'interfaccia di fase all'interno delle celle subiscono un deterioramento, il che influenza direttamente la tensione di cella, gli effetti di invecchiamento e l'efficienza della reazione.

Tecnologia di misura dell'elettrolita

Il team di progetto ha effettuato una ricerca su scala globale per individuare una tecnologia in grado di operare in un ambiente così impegnativo e fornire misurazioni di KOH precise e affidabili. Le condizioni operative tra cui: la capacità di operare in una soluzione al 30% di KOH a temperature fino a 80 °C e  e
pressioni fino a 5 bar (montaggio in linea) hanno escluso la maggior parte delle opzioni, lasciando solo l'analisi manuale in laboratorio o poche tecnologie basate sulla rifrattometria o sugli ultrasuoni.

Nell'illustrare per quale motivo si è deciso di utilizzare i rifrattometri in linea di Vaisala, Kristian Macke, COO di iChemAnalytics, ha detto: "L'analisi di laboratorio è stata subito esclusa a causa del tempo necessario per ricavare i risultati, che avrebbe reso impossibile il controllo del processo e pertanto compromesso l'efficienza". Il team ha quindi valutato le opzioni di misurazione continua. "Ci ha particolarmente colpito il supporto del distributore di Vaisala, Bühler Technologies", spiega Kristian. "Ci ha lasciato in prestito un rifrattometro Vaisala per un breve periodo per permetterci di effettuare un rapido test nel nostro laboratorio. Ci ha fornito i file CAD per integrare il dispositivo Vaisala nel test bench e una conferma scritta relativa alla resistenza permanente del rifrattometro al KOH".

Sul test bench sono stati installati due rifrattometri in linea PR53AC Vaisala che forniscono misurazioni in tempo reale della concentrazione di KOH su entrambi i lati della membrana. Kristian commenta:

"È stato un investimento importante per noi, ma siamo davvero entusiasti delle prestazioni offerte dai dispositivi Vaisala. Sono stati consegnati con taratura di fabbrica ed è stato semplice iniziare a utilizzarli grazie al funzionamento quasi interamente plug-and-play. È stato sufficiente integrarne l'uscita 4 - 20 mA con il nostro PLC".

I rifrattometri Vaisala misurano l'angolo di rifrazione della luce nel liquido di processo, mediante una fonte luminosa a LED. Un sensore rileva costantemente l'angolo critico in corrispondenza del quale inizia la riflessione totale della luce, direttamente correlato alla concentrazione di KOH. La rifrattometria Vaisala è ampiamente impiegata in processi industriali di alto livello, che spaziano dai settori chimico e cartario a quelli alimentare e farmaceutico, dove precisione, resistenza alle sostanze chimiche e continuità operativa sono fondamentali.

Oltre alla capacità di funzionare in condizioni difficili, per esempio a contatto con liquidi corrosivi, uno dei principali vantaggi dei rifrattometri Vaisala è che le misure non vengono influenzate dalla presenza di particelle sospese, bolle o colore e, grazie all'opzione di lavaggio automatico del prisma con vapore o acqua calda ad alta pressione, i rifrattometri non sono soggetti a incrostazioni o depositi.

Avanzamento del progetto

Lo sviluppo di un test bench di prova affidabile ha permesso al team di concentrarsi sugli obiettivi principali. Sono in corso prove da stress accelerate a varie temperature di rivestimenti di elettrodi e soluzioni elettrolitiche differenti. Kristian afferma: "Di recente, abbiamo presentato i risultati di una prova di quattro settimane durante una conferenza a Berlino (ZVO Oberflächentage 2025), dimostrando dati eccellenti relativi alle prestazioni di un nuovo rivestimento".

Progetti futuri

Con lo sviluppo di rivestimenti più sostenibili, il nuovo banco di collaudo completamente automatizzato consentirà al team di ottimizzare attrezzature, materiali e condizioni dell'elettrolisi al fine di migliorare l'efficienza del processo. 

"La misura della concentrazione di KOH con i rifrattometri Vaisala riveste un ruolo di importanza critica per il test bench", spiega Kristian. "Chiaramente, l'obiettivo finale è sviluppare nuovi stack di elettrolizzatori ad alte prestazioni con rivestimenti superficiali avanzati. La possibilità di monitorare e controllare automaticamente il rapporto di KOH sarà quindi essenziale per ottimizzare i componenti e l'efficienza degli elettrolizzatori".

Questo progetto mostra come la tecnologia di misura avanzata supporti l'innovazione nell'energia pulita e acceleri la transizione verso soluzioni a basse emissioni di carbonio.

Scopri di più sul monitoraggio chimico in tempo reale nella produzione di idrogeno verde in questo webinar con l'intervista a Kristian Macke, co-fondatore e COO di iChemAnalytics.