L’energia del futuro deve affrontare due grandissime sfide globali, la transizione verso fonti pulite non inquinanti e la disponibilità crescente di risorse idriche. Per molti anni la produzione di idrogeno verde si è scontrata con un limite strutturale significativo, la necessità di utilizzare enormi quantitativi di acqua dolce purificata. Un team di ricercatori guidato dal Dalian Institute of Chemical Physics della Chinese Academy of Sciences ha sviluppato e testato su scala reale una soluzione tecnologica capace di ribaltare questo scenario.

Il nuovo sistema, della potenza di 250 kilowatt, è in grado di produrre contemporaneamente idrogeno gassoso ad alta purezza e acqua potabile partendo direttamente dall’acqua di mare. La vera svolta non sta solo nell’unione di due processi distinti, ma nell’integrazione termica avanzata che sfrutta il calore di scarto generato dall’elettrolisi per alimentare la dissalazione.

Ostacoli storici nell’uso dell’acqua marina per l’elettrolisi

Per comprendere la portata di questo risultato scientifico, occorre analizzare come funziona l’elettrolisi dell’acqua. L’elettrolisi è una reazione chimica guidata dalla corrente elettrica che scompone le molecole d’acqua nei loro elementi costitutivi, l’idrogeno e l’ossigeno.

Quando si tenta di applicare questo principio all’acqua di mare grezza, insorgono problemi tecnici gravissimi che mettono a rischio gli impianti:

• Corrosione da cloruri, il sale marino contiene grandi quantità di ioni cloro che consumano rapidamente gli elettrodi, distruggendo i componenti metallici in pochissimo tempo.

• Reazioni parassite, durante il processo elettrolitico, il cloro presente nell’acqua tende a trasformarsi in gas cloro tossico anziché produrre ossigeno pulito, riducendo l’efficienza e creando pericoli ambientali.

• Formazione di incrostazioni, i sali di calcio e magnesio precipitano sulle superfici delle membrane chimiche, bloccando il passaggio degli ioni e rendendo le apparecchiature inutilizzabili.

Fino ad oggi, la soluzione standard consisteva nel costruire enormi impianti di desalinizzazione tradizionali a monte dell’elettrolizzatore. Tuttavia, questa scelta comporta consumi energetici elevatissimi, costi di investimento raddoppiati e una perdita consistente dell’efficienza complessiva.

Funzionamento del sistema integrato a recupero termico

La nuova architettura impiantistica sviluppata dai ricercatori cinesi supera l’ostacolo eliminando la necessità di energia elettrica aggiuntiva per la desalinizzazione. Il dispositivo combina un elettrolizzatore alcalino con una torre di distillazione sottovuoto a bassa temperatura, creando una sinergia perfetta.

Durante la scissione dell’acqua, una parte dell’energia elettrica impiegata non si trasforma in energia chimica, ma viene inevitabilmente convertita in energia termica. Questo fenomeno genera un flusso costante di calore di scarto a bassa temperatura, solitamente disperso nell’ambiente come rifiuto industriale.

La sequenza operativa del sistema si articola nei seguenti passaggi:

1. L’acqua di mare grezza viene immessa direttamente nella sezione della torre di evaporazione.

2. Il calore di scarto prodotto dall’elettrolizzatore, mantenuto a una temperatura controllata di circa $44\text{ °C}$, viene canalizzato verso la torre di distillazione.

3. Grazie alla presenza del sottovuoto, l’acqua di mare evapora a temperature molto inferiori rispetto ai $100\text{ °C}$ normalmente necessari a pressione atmosferica.

4. Il vapore acqueo così generato si condensa, trasformandosi in acqua dolce pura.

5. Una parte dell’acqua distillata viene inviata direttamente alle celle dell’elettrolizzatore per continuare la produzione di idrogeno, mentre la parte restante viene raccolta come acqua potabile sfruttuabile per uso umano o agricolo.

Rendimenti energetici e dati reali sul campo

A differenza di molte ricerche stazionarie condotte esclusivamente su minuscola scala di laboratorio, questo progetto è stato testato con un impianto pilota su scala industriale. La struttura da 250 kW ha mostrato prestazioni stabili e durature in condizioni di lavoro reali.

I dati prestazionali registrati durante le prove operative evidenziano miglioramenti netti rispetto ai sistemi tradizionali:

• La produzione di idrogeno ha raggiunto una velocità costante di oltre 48 metri cubi normali all’ora ($48\text{ Nm}^3/\text{h}$).

• L’efficienza energetica globale del sistema è aumentata del 14,4% rispetto alla somma dei due processi gestiti in modo separato.

• Il consumo specifico di energia elettrica per la produzione di idrogeno si attesta a circa $4,12\text{ kWh}$ per ogni metro cubo di gas generato.

• La purezza dell’idrogeno ottenuto supera il 99,99%, valore idoneo per l’alimentazione diretta delle celle a combustibile nei veicoli a zero emissioni.

• Il sistema produce contemporaneamente un surplus costante di acqua potabile, trasformando un residuo industriale in una risorsa preziosa per i territori aridi.

Impatto geopolitico e prospettive industriali per le zone costiere

Questa innovazione tecnologica risponde in modo diretto a una delle criticità più severe legate alla transizione ecologica, la concorrenza tra produzione energetica e consumo idrico. La produzione massiccia di idrogeno tramite elettrolisi tradizionale rischia di consumare miliardi di litri di acqua potabile, aggravando la scarsità idrica nelle regioni già soggette a siccità.

L’applicazione su vasta scala di questo sistema permette di installare gigawatt di potenza rinnovabile, come parchi eolici offshore o impianti fotovoltaici costieri, collegandoli direttamente all’oceano. L’acqua marina diventa così sia il reagente per l’energia del futuro, sia la fonte per dissetare e irrigare le comunità locali.

I prossimi passaggi della ricerca prevedono l’ingegnerizzazione di moduli ancora più grandi, puntando alla scala dei megawatt, e l’ottimizzazione dei materiali per garantire una durata operativa pluriennale dei componenti esposti all’ambiente marino.

idrogeno verde, acqua di mare, elettrolisi, desalinizzazione, recupero di calore, acqua potabile, transizione energetica, efficienza energetica, energia pulita, innovazione tecnologica, celle a combustibile, sostenibilità ambientale.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

La produzione di idrogeno dall’acqua di mare è interessante data la sua abbondanza, ma l’elettrolisi diretta dell’acqua di mare è complessa a causa della scarsa stabilità e della bassa efficienza energetica. In questo studio, presentiamo la coproduzione di idrogeno e acqua dolce dall’acqua di mare mediante l’accoppiamento dell’elettrolisi alcalina dell’acqua con la desalinizzazione a bassa temperatura, in cui il calore di scarto a bassa temperatura dell’elettrolizzatore alimenta la distillazione dell’acqua di mare per generare acqua dolce sia per l’elettrolisi che per usi esterni. Un sistema pilota industriale da 20 kW ha raggiunto coproduttività di 3,8 Nm³ h⁻¹ di H₂ e 1,2 kg h⁻¹ di acqua dolce con un funzionamento stabile per 100 giorni. Scalando a 250 kW si sono ottenuti 48 Nm³ h⁻¹ di H₂ e 31,6 kg h⁻¹ di acqua dolce, con un miglioramento del 14,4% nell’efficienza elettrica del sistema rispetto alla sola elettrolisi alcalina dell’acqua dolce. L’analisi tecnico-economica del processo accoppiato indica una maggiore redditività rispetto al tradizionale processo tandem di desalinizzazione seguita da elettrolisi.

by