Il panico da iridio calmato dai nuovi sistemi di idrogeno verde

Il raro metallo prezioso iridio è un ingrediente chiave nei sistemi elettrolizzatori utilizzati per produrre idrogeno verde. “Raro” è la parola chiave. Il mercato dell’idrogeno verde è in crescita e gli analisti prevedono che la domanda di elettrolizzatori supererà presto l’offerta di sistemi con succo di iridio. Ciò potrebbe essere adatto agli speculatori sulle materie prime, almeno per il momento. Per quanto riguarda il lungo termine, stanno già emergendo soluzioni alternative e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti è sul caso.

Cuori di idrogeno verdi Iridium…

L’idrogeno verde si riferisce all’idrogeno prodotto dai sistemi elettrolizzatori, che utilizzano energia rinnovabile e catalizzatori per “dividere” l’acqua in idrogeno e ossigeno (molto più CleanTechnica la copertura è qui).

Essendo una nuova industria, l’idrogeno verde rappresenta attualmente solo circa l’1% della fornitura globale di idrogeno. Il restante 99% proviene ancora dal gas naturale e, in misura minore, dal carbone, il che significa che c’è ancora molto da recuperare.

Il processo sarà lento finché l’idrogeno verde non riuscirà a raggiungere o battere il costo dell’idrogeno di origine fossile. Con il costo attuale dell’idrogeno verde stimato a circa 5,00 dollari al chilogrammo, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti è tra quelli che mirano ad un prezzo di 1,00 dollari entro il 2030.

A titolo di confronto, l’Agenzia internazionale per l’energia ha indicato una forbice compresa tra appena 50 centesimi e 1,70 dollari per l’idrogeno di origine fossile, a seconda della regione. Anche con le spese aggiuntive per la cattura del carbonio, secondo i calcoli dell’IEA, l’idrogeno di origine fossile è ancora un affare compreso tra 1 e 2 dollari.

L’iridio è emerso come un grande, grosso ostacolo lungo la strada verso l’idrogeno verde a basso costo. I catalizzatori all’ossido di iridio si occupano del lato di produzione dell’ossigeno dell’elettrolisi in un sistema elettrolizzatore a membrana elettrolitica polimerica (PEM). Nonostante i costi elevati e l’offerta limitata, le parti interessate del PEM preferiscono l’iridio per la sua efficienza energetica, stabilità e durata.

I sistemi PEM sono anche considerati una delle due sole tecnologie dell’idrogeno verde che hanno superato le altre sulla strada verso la commercializzazione di massa. Scrivere per il Approfondimento sull’idrogeno l’anno scorso, Jacques Moss della società di ricerca Approfondimenti sulla guida ha osservato che i soli sistemi PEM rappresentavano quasi la metà della capacità di produzione di elettrolizzatori prevista per il 2022.

…Ma è ora di andare avanti

Considerata la posizione dominante dei sistemi PEM nel mercato dell’idrogeno verde, la riduzione dei costi è una priorità e tutti gli occhi sono puntati sull’iridio. Come ha osservato Moss, “le preoccupazioni relative all’approvvigionamento dei materiali sono maggiormente focalizzate sull’iridio” all’interno dell’industria dell’idrogeno.

Non sto scherzando. “Il metallo si trova in concentrazioni estremamente basse nella crosta terrestre, a circa 0,000003 parti per milione. Viene estratto solo come sottoprodotto isolato durante la produzione di platino e palladio in un tonnellaggio annuale misurato a singola cifra”, ha spiegato Moss.

A complicare ulteriormente la catena di approvvigionamento dell’iridio, attualmente un singolo paese schiaccia la concorrenza. Si tratterebbe del Sud Africa, che rappresentava quasi il 90% dell’iridio vergine sul mercato lo scorso anno.

Nuovi materiali per l’idrogeno verde

Una soluzione ovvia è trovare catalizzatori alternativi e abbondanti che eguaglino o battono l’iridio in termini di prestazioni e costi. Questo percorso è ancora in fase di ricerca e sviluppo, ma sembra che si stia creando slancio.

L’azienda di prodotti chimici puliti Mattiq, ad esempio, ha inviato un’e-mail CleanTechnica il mese scorso con un avviso sul suo nuovo studio sui catalizzatori PEM alternativi, selezionati attraverso il suo sistema di valutazione a fuoco rapido assistito dall’intelligenza artificiale.

“Nei mesi precedenti, abbiamo sintetizzato e valutato milioni di combinazioni di diversi elementi per valutarne la durabilità, l’efficacia e la praticità per le applicazioni industriali”, ha spiegato il dottor Andrey Ivankin, CTO e cofondatore di Mattiq. “Un lavoro che prima richiedeva anni ora può essere svolto in una frazione di quel tempo con un rigore maggiore che mai.”

“Ogni alternativa ha il potenziale per soddisfare o superare le prestazioni del materiale, ma con un costo molto inferiore e una maggiore disponibilità”, ha aggiunto l’azienda.

Altri ricercatori si sono concentrati sul rutenio. L’anno scorso, un team della Rice University, ad esempio, ha riportato buoni risultati per un catalizzatore a base di ossido di rutenio drogato con nichel.

“L’iridio costa circa otto volte di più del rutenio e potrebbe rappresentare dal 20% al 40% della spesa nella produzione di dispositivi commerciali, soprattutto in futuri utilizzi su larga scala”, ha osservato il leader del team Haotian Wang della George R. Brown School of Ingegneria.

Anche l’azienda H2U Technologies nutre grandi speranze per il suo sistema PEM privo di iridio. Oltre a ridurre il costo iniziale dei materiali, l’azienda prevede che i sistemi privi di iridio apriranno nuove strade per ridurre i costi.

“L’utilizzo di queste alternative convenienti espande le possibilità di progettazione dello stack di elettrolizzatori, consentendo a H2U di esplorare strade senza restrizioni dovute a strati catalitici ultrasottili e a un basso utilizzo di catalizzatori. Questa flessibilità riduce significativamente le spese di capitale, producendo idrogeno consegnato più conveniente”, spiega H2U.

Molte strade verso l’economia verde dell’idrogeno del futuro

Anche il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta contribuendo con un nuovo fondo di finanziamento per l’idrogeno verde da 750 milioni di dollari volto a ridurre i costi di produzione degli elettrolizzatori. Il nuovo ciclo di finanziamenti, che rientra nella legge bipartisan sulle infrastrutture, si concentra anche sul riciclaggio per contribuire a rafforzare la catena di fornitura degli elettrolizzatori e ridurre i costi. Gli annunci dei premi sono attesi entro la fine dell’anno.

Sebbene gli elettrolizzatori PEM siano un pezzo significativo del puzzle dell’idrogeno verde, non sono l’unico modo per produrre idrogeno non fossile.

Stanno emergendo catene di approvvigionamento alternative che attingono da risorse ricche di idrogeno, tra cui gas di discarica, acque reflue municipali, gas di scarico industriali e rifiuti di plastica.

In uno sviluppo particolarmente interessante, il mese scorso un gruppo di ricerca della Rice University ha proposto un sistema per estrarre l’idrogeno dai rifiuti di plastica che potrebbe ripagarsi da solo.

“In questo lavoro, abbiamo convertito i rifiuti di plastica, compresi i rifiuti plastici misti che non devono essere differenziati per tipo o lavati, in gas idrogeno ad alto rendimento e grafene di alto valore”, ha spiegato l’autore principale Kevin Wyss. “Se il grafene prodotto viene venduto solo al 5% del valore di mercato attuale, si otterrebbe uno sconto del 95%! — l’idrogeno pulito potrebbe essere prodotto gratuitamente.

Elettrolizzatori più e migliori

Stanno entrando in gioco anche sistemi elettrolizzatori alternativi. In particolare, i sistemi a membrana a scambio anionico (AEM) hanno migliorato il loro gioco, anche se hanno ancora del lavoro da fare.

“Sebbene gli elettrolizzatori AEM possano potenzialmente offrire “il meglio di entrambi i mondi” rispetto agli elettrolizzatori alcalini e agli elettrolizzatori PEM, è ancora necessario uno sviluppo tecnologico significativo affinché la tecnologia diventi competitiva”, ha osservato in agosto l’Ammonia Energy Association. “Ad esempio, la durata della membrana è una preoccupazione fondamentale, poiché le membrane attuali sono altamente sensibili all’ossigeno”.

Nonostante gli inconvenienti, la tecnologia AEM consente notevoli risparmi sui costi grazie all’uso di catalizzatori al nichel a basso costo. L’azienda tedesca di elettrolizzatori Sunfire, ad esempio, ha identificato i casi di utilizzo industriale come un ambiente ideale per la tecnologia AEM.

La primavera scorsa, Sunfire ha annunciato di aver collaborato con l’istituto di ricerca tedesco Fraunhofer IFAM e con la società canadese Ionomr Innovations per perseguire il percorso industriale dei sistemi AEM. Anche il Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada, la Simon Fraser University e l’Università di Alberta stanno collaborando allo sforzo sotto l’egida del progetto “Integrate”.

Anche il Ministero federale tedesco dell’Istruzione e della ricerca si è impegnato a sostenere il progetto lo scorso anno.

Le parti interessate all’idrogeno di origine fossile sperano ancora in un ruolo importante nella scintillante economia dell’idrogeno verde del futuro, ma le prospettive in tal senso si attenuano ad ogni nuova svolta nella storia dell’idrogeno verde.

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Immagine: l’azienda chimica Mattiq è tra le parti interessate agli elettrolizzatori che lavorano per prevenire un potenziale collo di bottiglia nella catena di approvvigionamento dell’iridio per l’idrogeno verde (per gentile concessione di Mattiq via e-mail).