Critical raw materials in the green hydrogen value chain

In the context of the project, the main water electrolysis technologies (Alkaline, PEM, AEM, SOEC) have been investigated to identify the critical materials used in electrolyzers, assign criticality indices to these materials, and evaluate mitigation and substitution strategies. It turns out that iridium, nickel, and platinum group metals present the highest levels of criticality, making the PEM technology subject to high supply risk. Subsequently, the study of SOEC technology was deepened due to its high interest in the possibility of heat utilization, by developing a mathematical model of the polarization curve. A sensitivity study of the design parameters that can be modified was conducted: increasing temperature, increasing porosity and the average pore radius of the electrodes, reducing tortuosity, and reducing the molar fraction of water vapor in the feed have the effect of lowering the required potential. Moreover, changing the configuration from electrolyte-supported to anode-supported leads to a 26.5% reduction in the required voltage at 0.5 A/cm2. In its final part, the project studies the main causes of performance degradation of a SOEC electrolyzer.

Nel contesto del progetto, sono state approfondite le quattro tecnologie di elettrolisi (alcalina, PEM, AEM, SOEC) con il fine di identificare i materiali critici utilizzati negli elettrolizzatori ed assegnare loro indici di criticitá. Le informazioni ottenute permettono di valutare strategie di mitigazione e sostituzione soprattuto di quei materiali che presentano i livelli di criticitá maggiori. Da questo studio si evince che l'iridio, il nichel ed i metalli del gruppo Platino presentano i livelli di criticitá maggiori. Sapendo che l’iridio ed i metalli del gruppo platino sono utilizzati esclusivamente negli elettrolizzatori PEM, segue che proprio la tecnologia PEM é soggetta ad alto rischio di interruzione di sumministro di materia prima. Successivamente, é stata approfondita la tecnologia SOEC, nella quale le condizioni di alta temperature possono essere ottenute mediante recupero del calore industriale o sfruttando energia geotermica. É stato realizzato un modello matematico, assieme ad uno studio di sensibilitá dei parametri principali: aumentare la temeperatura, aumentare la porositá e il raggio medio dei pori degli elettrodi, ridurre la tortuositá e ridurre la frazione molare del vapore all’alimentazione hanno l’effetto di ridurre il potenziale elettrico richiesto dalla reazione. In aggiunta, cambiare la configurazione da electrolyte-supported a anode-supported conduce a una riduzione del 26,5% del potenziale richiesto in correspondenza di una densitá di corrente di 0,5 A/cm2. Nella sua parte conclusiva, il progetto presenta uno studio sulle principali cause della degradazione delle prestazioni in un elettrolizzatore SOEC.