Gli elettrolizzatori devono diventare prodotti di massa

Elettrolizzatore a Haurup vicino a Flensburg. © H-TEC SYSTEMS GmbH

Chi desidera utilizzare l'idrogeno come fonte di energia, ha bisogno di elettrolizzatori. Tuttavia, sono rari e costosi, perché finora sono ancora prodotti principalmente a mano. Per poterli produrre su scala industriale in futuro, un team di ricerca dell'Istituto Fraunhofer IPA sta attualmente sviluppando una fabbrica di elettrolizzatori completamente automatizzata.

L'idrogeno è abbondantemente presente sulla Terra. Tuttavia, è molto reattivo e quindi legato a molecole, ad esempio nell'acqua (H2O). Chi desidera utilizzare questo elemento gassoso come fonte di energia senza emissioni, deve prima estrarre l'idrogeno dalla molecola d'acqua. A tal fine esistono cosiddetti elettrolizzatori. Essi scindono l'acqua nei suoi componenti: idrogeno (H2) e ossigeno (O). Le celle a combustibile possono riconvertire l'idrogeno in energia elettrica, che poi alimenta i motori. Oppure l'idrogeno viene bruciato direttamente in forni ad alta temperatura.

Poiché l'idrogeno svolge un ruolo importante nella transizione energetica e dei trasporti, il mondo ha bisogno a breve di una massa di nuovi elettrolizzatori. Tuttavia, finora sono ancora prodotti principalmente a mano, il che richiede molto tempo, è costoso e soggetto a errori. Per questo motivo, scienziati e scienziate dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA vogliono automatizzare completamente la produzione di elettrolizzatori, in collaborazione con partner della ricerca e dell'industria. «L'obiettivo è una fabbrica di elettrolizzatori automatizzata su scala gigawatt», afferma Friedrich-Wilhelm Speckmann del Centro per la produzione digitale di celle a batteria (ZDB) presso Fraunhofer IPA. «Gli elettrolizzatori prodotti in un anno dovrebbero avere quindi una potenza nominale complessiva di almeno un gigawatt.»

I robot dovrebbero occuparsi in futuro dello stacking

Un elettrolizzatore è composto da due elettrodi – l'anodo positivamente carico e la catodo negativamente carica – e da un separatore, in questo caso una membrana a scambio protonico (PEM). Per aumentare la potenza, molte celle elettrolitiche vengono impilate in un cosiddetto stack. Attualmente questa operazione di stacking avviene ancora principalmente a mano, ma in futuro potrebbe essere svolta dai robot.

Poiché si vuole automatizzare non solo lo stacking, ma l'intera linea di produzione, i ricercatori devono considerare anche tutti i processi a monte e a valle, fino all'avviamento dei sistemi complessivi. Le attività vanno dalla pianificazione della fabbrica e della produzione, ai test dei componenti, fino ai collaudi di fine linea. Inoltre, nel consorzio vengono sviluppati anche nuovi design di stack, che semplificheranno e accelereranno le future procedure di produzione.

Pianificazione del sistema di produzione, robot e sensori per la fabbrica di elettrolizzatori

Per realizzare la fabbrica di elettrolizzatori automatizzata, i partner del progetto stanno innanzitutto allestendo una linea di produzione secondo lo stato dell'arte. Questa verrà poi modulata e ampliata pezzo per pezzo, affinché i singoli processi si integrino meglio e siano più automatizzati rispetto al passato. Durante questa fase, i ricercatori affrontano una serie di questioni aperte, come: Quale topologia di robot è più adatta per lo stacking? Come deve afferrare i componenti un robot e a quale velocità può muoversi al massimo, per non danneggiare le parti sensibili? Quali sensori ottici devono essere integrati nell'impianto per garantire la qualità? Quali tecnologie di produzione consentono di scalare la produzione di elettrolizzatori? Come deve essere e come deve essere strutturata una fabbrica di elettrolizzatori completamente automatizzata?

Risposte a queste e molte altre domande il team di ricerca spera di trovare entro il 31 marzo 2025. In quella data, infatti, scadrà il progetto di ricerca «Industrializzazione della produzione di elettrolizzatori PEM» (PEP.IN), finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF) con oltre 20 milioni di euro. Nel progetto partecipano, oltre all'Istituto Fraunhofer IPA, anche l'Istituto Fraunhofer per i sistemi energetici solari ISE, l'Istituto Fraunhofer per l'ambiente, la sicurezza e la tecnologia energetica UMSICHT, la MAN Energy Solutions SE, la H-TEC Systems GmbH, l'Audi AG, la VAF GmbH, il Centro per la tecnologia delle celle a combustibile GmbH e il Centro di ricerca Jülich GmbH. PEP.IN fa parte del progetto guida «H2Giga», uno dei tre progetti principali sull'idrogeno, che rappresentano un contributo centrale del BMBF alla realizzazione della Strategia Nazionale sull'Idrogeno.