4,27%Materiali per la transizione dell’idrogeno by Aperam Innovation Lab
La competizione tra le diverse tecnologie di elettrolisi è pienamente avviata e, per ciascuna di esse, Aperam offre i materiali adeguati. Sotto un unico coordinamento si integrano siti produttivi di acciai inossidabili, leghe di nichel e altre leghe speciali, nastri di precisione, tubi, nonché centri di ricerca strettamente interconnessi. La continuità tra produzione industriale e applicazione in serie è garantita da una rete integrata di centri di servizio, distribuita a livello di gruppo, che assicura un passaggio fluido tra innovazione, industrializzazione ed immissione sul mercato.
L’idrogeno è molto più di un semplice vettore energetico. Rappresenta un’ambizione di transizione verso una riduzione delle emissioni industriali. La rapidità con cui riusciremo a decarbonizzare le nostre società industriali, preservandone al contempo la competitività, dipenderà dalla nostra capacità di disporre di idrogeno in volumi sufficienti, a costi controllati e con un elevato livello di sicurezza dell’approvvigionamento. I processi sono noti. Alcuni sono già collaudati su scala industriale (AEL). Tuttavia, la dinamica dell’innovazione resta intensa nello sviluppo di nuove tecnologie di elettrolisi (PEM, AEM, SOEC).
La scelta delle tecnologie che si affermeranno in funzione delle applicazioni dipende anche dai materiali impiegati. Questi devono garantire un’elevatissima resistenza alla corrosione, un’elevata conducibilità elettrica e un’ottima resistenza meccanica. Un simile livello di requisiti orienta naturalmente verso gli acciai inossidabili e le leghe di nichel altamente legate. Aperam padroneggia entrambe queste famiglie di materiali. Ulteriori motivi per rendere la transizione energetica una priorità strategica per il gruppo.
Una direzione tecnologica chiara
Per strutturare questo approccio, Aperam ha istituito un «Innovation Lab» che si fonda su due centri di R&D complementari: uno dedicato agli acciai inossidabili, con sede ad Isbergues, e l’altro specializzato nelle leghe, situato a Imphy. Questi due poli operano in stretta coordinazione e generano sinergie industriali, in particolare nello sviluppo di nastri di precisione e di materiali con superfici ottimizzate per la successiva applicazione di rivestimenti funzionali avanzati.
La mappatura delle evoluzioni tecnologiche resta complessa. Per definire la direzione più appropriata in un contesto in rapida trasformazione, Aperam si affida al Dr. Adolfo Kalergis Do Nascimento Viana. In qualità di Head of Market Innovation and Business Development – CCUS, New Energies & Hydrogen, individua gli ambiti in cui le soluzioni esistenti di Aperam e Imphy rispondono già alle esigenze del mercato.
In una prospettiva orientata al futuro, valuta inoltre le direttrici di sviluppo dei materiali più promettenti, nonché i partner industriali in grado di contribuire alla creazione di nuove catene del valore. In questo percorso, valorizza le sinergie tra le attività inox, leghe e centri di servizio.
Nel mercato tedesco, Adolfo Kalergis può contare su un partner chiave: Ralf Behle, Senior Business Development Manager per le leghe Imphy. Forte della sua esperienza sul campo, precisa: «Nel settore degli elettrolizzatori, ci confrontiamo con un ampia gamma di requisiti in termini di materiali. Si va dalle qualità ferritiche di acciai inossidabili fino al nichel puro e al titanio. Questo spettro si riflette anche nella fluidità dello scambio di conoscenze ed esperienze tra le due divisioni di Aperam.»
Un approccio in costante evoluzione
Oggi sono disponibili diversi processi per la produzione di idrogeno: elettrolisi alcalina (AEL), membrane a scambio protonico (PEM), membrane a scambio anionico (AEM) ed elettrolisi a ossido solido (SOEC). Interrogato sulla tecnologia più promettente, Kalergis risponde: «Le direttrici evolvono. A seconda del contesto, l’interesse si orienta talvolta verso una tecnologia, talvolta verso un’altra. Aperam adotta un approccio aperto e dispone, per ciascuna di esse, di una gamma completa di materiali.»
Ad oggi, l’elettrolisi alcalina (AEL) rappresenta la tecnologia più matura e, di conseguenza, la più diffusa. In prospettiva, tuttavia, le tecnologie PEM potrebbero affermarsi progressivamente. Attualmente AEL e PEM concentrano insieme circa il 90 % della quota di mercato, a testimonianza di un panorama tecnologico ancora ampiamente strutturato attorno a questi due processi.
L’AEL (a sinistra) e la PEM (a destra) rimangono oggi le tecnologie dominanti.
Il principio dell’elettrolisi alcalina resta per molti associato a un’esperienza di laboratorio scolastico. L’acqua diventa conduttrice mediante l’aggiunta di un elettrolita, acido o alcalino. Quando due elettrodi vengono immersi e si applica corrente continua, si formano bolle di ossigeno all’anodo e bolle di idrogeno al catodo.
Su scala industriale, questo processo utilizza soluzioni alcaline concentrate, a temperature operative comprese tra 60 e 90 °C. Per resistere a questi ambienti fortemente corrosivi, Aperam propone materiali idonei. Per elettrodi e piastre bipolari, la lega di nichel 201 si distingue per l’elevata resistenza alla corrosione abbinata a un’eccellente conducibilità elettrica. Rivestite con uno strato di nichel, le qualità austenitiche come Aperam 316L, 316A, 310L e 904L, così come il duplex DX2205, possono rappresentare alternative economicamente competitive.
Per gli involucri delle celle e le tubazioni, gli austenitici standard come Aperam 304 (EN 1.4301) o 316L (EN 1.4404) risultano particolarmente adatti.
La tecnologia AEL è collaudata a livello industriale ed è riconosciuta per la sua robustezza. Gli investimenti richiesti restano relativamente contenuti. Il rendimento elettrico si colloca tra il 60 e il 70 %. È particolarmente indicata per impianti di grande scala in funzionamento continuo, in siti con approvvigionamento elettrico stabile.
Membrane polimeriche: conducibilità elettrica e resistenza alla corrosione
Gli elettrolizzatori PEM mantengono un’elevata efficienza anche in condizioni di funzionamento intermittente. Per questo motivo risultano particolarmente adatti all’impiego di energie rinnovabili variabili, come l’eolico o il solare, tipiche di molte regioni dell’Europa centrale. Sono inoltre idonei per impianti di dimensioni più contenute e configurazioni decentralizzate. Le temperature operative restano moderate, generalmente comprese tra 50 e 80 °C. Il processo, tuttavia, opera in ambienti fortemente acidi. Le piastre bipolari sono normalmente realizzate in titanio oppure, in alternativa, in acciaio inossidabile rivestito di titanio.
Le membrane a scambio anionico (AEM) rappresentano un’alternativa promettente. Combinano meccanismi propri dell’elettrolisi alcalina e della tecnologia PEM. La loro configurazione è compatta, non richiedono metalli catalitici particolarmente nobili e la temperatura di esercizio si colloca generalmente tra 40 e 70 °C.
Anche gli elettrolizzatori AEM utilizzano ambienti acquosi. Le condizioni sono per lo più moderatamente alcaline e le pressioni relativamente basse. I materiali impiegati devono quindi garantire un’adeguata resistenza alla corrosione in ambienti basici. Kalergis sottolinea: «La resistenza alla corrosione e la conducibilità elettrica sono strettamente correlate. Chiunque abbia avuto a che fare con contatti di batteria ossidati sa che gli ossidi metallici sono isolanti. In un elettrolizzatore, la corrosione non comprometterebbe soltanto la sicurezza operativa, ma limiterebbe anche il trasporto ionico e ridurrebbe le prestazioni elettriche.»
Per l’elettrolisi AEM si impiegano gli stessi materiali utilizzati nella tecnologia PEM. L’efficienza elettrica dei due processi si colloca su livelli comparabili. Tuttavia, la tecnologia AEM è ancora in fase di sviluppo e scalabilità industriale, e l’esperienza operativa a lungo termine rimane limitata.
SOEC: alta temperatura e produzione su larga scala
Le celle di elettrolisi a ossido solido (solid oxide electrolyzer cells, SOEC) figurano tra le soluzioni più promettenti per una produzione massiva e continua di idrogeno. Il processo di elettrolisi, basato su membrane ceramiche, richiede temperature operative comprese tra 650 e 850 °C. In compenso, il rendimento elettrico raggiunge valori compresi tra l’80 e il 90 %. Un ulteriore vantaggio rilevante è l’impiego di vapore acqueo come materia prima, che consente di integrare parte dell’energia necessaria sotto forma di calore industriale recuperato, migliorando ulteriormente il rendimento complessivo del sistema.
Se il potenziale è considerevole, altrettanto lo sono le sfide in termini di materiali: resistenza al creep (scorrimento viscoso), fatica, ossidazione ad alta temperatura, diffusione dei gas e compatibilità con i rivestimenti. Kalergis precisa: «Queste temperature operative non rappresentano un ambito sconosciuto per noi. I nostri materiali sono impiegati da decenni in processi ad alta temperatura, in particolare nell’industria chimica. I dati operativi a lungo termine sono ampiamente documentati e analizzati all’interno del nostro dipartimento di R&S. Essi alimentano sviluppi congiunti con i nostri clienti costruttori di impianti e costituiscono inoltre la base per nuove soluzioni di materiali che sviluppiamo in stretta collaborazione con i produttori di stack.»
La tecnologia SOEC consente di valorizzare il calore disperso, in particolare quello generato dai data center.
Per piastre di interconnessione, collettori di corrente e piastre terminali, il mercato si orienta attualmente verso acciai inossidabili ferritici. Diversi produttori leader di elettrolizzatori hanno già validato le qualità Aperam K41, K44M, K45 e K46. Anche la lega Imphy 23SO è oggetto di valutazione. Si distingue per l’eccellente resistenza al creep e l’elevata resistenza all’ossidazione ad alta temperatura.
Balance of Plant: un ruolo sistemico determinante
Al di là degli elettrolizzatori stessi, i componenti ausiliari denominati Balance of Plant (BoP), ossia le installazioni a monte e a valle del processo, sono altrettanto determinanti per il corretto funzionamento del sistema nel suo complesso. Kalergis illustra questa complementarità con un paragone efficace: «L’elettrolizzatore è il cuore dell’impianto; il BoP ne costituisce il sistema circolatorio.» Ciò comprende, tra l’altro, il trattamento dell’acqua e il condizionamento del gas prodotto. Il BoP associato alla tecnologia SOEC rappresenta un esempio particolarmente promettente. Lo sviluppo dell’intelligenza artificiale apre in questo ambito un potenziale significativo: i data center, indispensabili per tali applicazioni, generano ingenti quantità di calore di scarto che può essere valorizzato come calore di processo per l’elettrolisi SOEC. Le elevate temperature presenti negli scambiatori di calore e negli involucri richiedono materiali resistenti al creep, come Aperam 309N e 310S o la lega Imphy 625.
In termini di volumi di materiali impiegati, le installazioni dedicate al trattamento e al trasporto dell’idrogeno superano ampiamente le stesse tecnologie catalitiche. La liquefazione, lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno non sarebbero possibili senza acciai inossidabili austenitici né senza la lega ferro-nichel Invar® M93. I serbatoi per idrogeno liquido e i sistemi pipe-in-pipe richiedono materiali in grado di mantenere la propria resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione a −253 °C, temperatura di ebollizione dell’idrogeno.
Le principali criticità comuni alle applicazioni dell’idrogeno riguardano, da un lato, la permeabilità dei materiali e, dall’altro, la fragilizzazione indotta dall’idrogeno. La corrosione sotto tensione costituisce un meccanismo di degrado particolarmente insidioso: un guasto può verificarsi senza segnali premonitori chiaramente visibili. In questo ambito, la sicurezza è prioritaria. La suscettibilità alla corrosione sotto tensione dipende strettamente dalla composizione della lega. La scelta del materiale appropriato risulta pertanto determinante, in particolare quando si combinano ambienti corrosivi, temperature estreme e sollecitazioni cicliche. In questo contesto, Aperam Innovation Lab si configura come interlocutore di riferimento per progettisti e costruttori di impianti.
Cattura del carbonio: leva per la transizione industriale
Nel percorso verso la transizione dell’idrogeno, l’idrogeno «verde» deve ancora confrontarsi con numerosi ostacoli: costi di produzione elevati, sfide tecniche legate allo sviluppo su scala industriale, insufficienza delle infrastrutture di stoccaggio e trasporto e incertezze di natura politica e regolatoria. In questo contesto, la produzione di idrogeno a partire dal gas naturale continuerà a rappresentare, nel breve e medio termine, una realtà industriale — integrando la cattura del carbonio nella forma del cosiddetto idrogeno «blu». A differenza dell’idrogeno «grigio», in cui il carbonio derivante dal gas naturale viene convertito in CO₂ e rilasciato nell’atmosfera, l’idrogeno «blu» si basa sulla cattura dell’anidride carbonica. Questa viene stoccata in formazioni geologiche profonde, spesso sotto i fondali marini (carbon capture and storage, CCS), oppure valorizzata come materia prima chimica (carbon capture and usage, CCU).
La cattura della CO₂ rappresenta una fase strutturante verso la neutralità carbonica.
Oggi predominano tre principali tecnologie. La prima è la precombustione, che consiste nel catturare la CO₂ prima della combustione del combustibile. La seconda è la postcombustione, in cui la CO₂ viene separata dai fumi dopo la combustione. Infine, il processo oxyfuel si basa sull’iniezione di ossigeno durante la combustione per aumentare la concentrazione di CO₂ e facilitarne la separazione. In questa fase, la maggior parte delle soluzioni CCS e CCU si basa sulla postcombustione. Tuttavia, la combustione in atmosfera arricchita di ossigeno sta suscitando un interesse crescente.
Per questa applicazione, il portafoglio di Aperam offre una gamma completa di materiali resistenti alla corrosione, a partire dalle qualità standard Aperam 304, 316A e 316L. In presenza di elevate concentrazioni di cloruri e maggiori sollecitazioni meccaniche, le qualità duplex — in particolare il DX2205 — si impongono come soluzione privilegiata. Nelle aree sottoposte alle condizioni più gravose, le leghe a base di nichel della gamma Imphy garantiscono un ulteriore margine di sicurezza. In attesa dello sviluppo su larga scala dell’idrogeno «verde» prodotto da fonti rinnovabili, le tecnologie CCS e CCU rappresentano soluzioni pragmatiche per far avanzare la transizione dell’idrogeno in modo tecnicamente affidabile ed economicamente sostenibile.
Sinergie tra materiali e capacità industriali
I materiali del gruppo Aperam coprono l’insieme delle tecnologie di elettrolisi, nonché i componenti Balance of Plant, la liquefazione dell’idrogeno e la cattura del carbonio. I ferritici della gamma KARA®, in particolare K41, K44M e K45, sono consolidati nelle applicazioni di elettrolisi grazie alle loro buone proprietà alle alte temperature, al basso coefficiente di dilatazione termica e all’elevata conducibilità elettrica. In questo mercato, l’offerta di acciai inossidabili austenitici si estende da Aperam 304M e 316L fino alla qualità 316A, nonché alle qualità 309N, 310S e al super austenitico 904L. Le applicazioni soggette a elevate sollecitazioni meccaniche e corrosive si orientano verso qualità duplex come il DX2205. L’offerta è completata dalle leghe Imphy INVAR® M93, Nickel 625, 825 e 201.
I formati disponibili spaziano dal nastro di precisione alla lamiera spessa. L’inox è disponibile anche in barre piatte e tubi, mentre le leghe sono fornite in un’ampia gamma di prodotti piani e lunghi. Il gruppo vanta una solida esperienza nel campo dei rivestimenti e delle superfici funzionali. Aperam Innovation Lab mette le proprie capacità di prova e competenze tecniche al servizio di sviluppi condotti in stretta collaborazione con i clienti. In partnership con essi, vengono sviluppati nuovi design e componenti più sottili mediante tecniche avanzate di formatura, preservando — e talvolta migliorando — la durabilità e le prestazioni.
Le installazioni dedicate alla riduzione delle emissioni di CO₂ dovrebbero essere concepite anch’esse con materiali a bassa impronta di carbonio. Le qualità standard di inox sono disponibili anche in una versione contenente fino al 98 % di materiale riciclato — la gamma Aperam infinite™. I trasformatori possono contare su Aperam Recycling (ex ELG) per la valorizzazione dei propri scarti di produzione, contribuendo così a chiudere efficacemente il ciclo del materiale. I costruttori di impianti e i produttori di componenti beneficiano, all’interno del gruppo Aperam, di un’infrastruttura integrata di centri di servizio con ampie disponibilità di magazzino e una logistica reattiva, anche per esigenze a breve termine. Lo strumento online e-aperam consente di verificare la disponibilità dei prodotti ed effettuare ordini in qualsiasi momento.
I trasformatori attivi nelle tecnologie dell’idrogeno, o interessati a posizionarsi nella produzione di componenti, trovano in Aperam interlocutori dedicati. In qualità di esperto nelle applicazioni dell’idrogeno, Kalergis precisa: «Aperam Innovation Lab riunisce 150 collaboratori. Clienti e partner che desiderano ricevere consulenza sui materiali o supporto tecnico-scientifico possono contattarmi oppure rivolgersi a Ralf Behle, al fine di attivare la nostra rete di R&S sulle tematiche legate all’elettrolisi dell’idrogeno e alla cattura del carbonio.»
L’esperienza genera valore. Aperam la mette al servizio dei propri clienti.
Articolo pubblicato sulla rivista FocusRostrei – febbraio 2026
