Elettrolizzatore: come funziona, tipi e consumi di energia

L'elettrolizzatore è l'apparecchio che usa l'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Senza un elettrolizzatore non esiste idrogeno verde: è la macchina che trasforma i kilowattora prodotti da sole e vento in un gas che si può immagazzinare, trasportare e bruciare senza emettere CO₂. Oggi questa tecnologia copre ancora una quota minima della produzione mondiale di idrogeno, ma è al centro delle strategie energetiche europee e di una parte dei fondi del PNRR italiano. Ecco come funziona, quali tipi esistono e quanta energia serve davvero per ottenere un chilo di idrogeno.

Che cos'è un elettrolizzatore e come funziona l'elettrolisi dell'acqua

Il principio è lo stesso che si studia a scuola, portato su scala industriale. Secondo il Dipartimento dell'Energia statunitense, l'elettrolisi è il processo che usa l'elettricità per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno, e avviene all'interno di un elettrolizzatore composto da tre elementi: un anodo, un catodo e un elettrolita che li separa.

Quando si applica una tensione, all'anodo le molecole d'acqua cedono elettroni e si libera ossigeno; al catodo si forma idrogeno. Cambia, a seconda della tecnologia, la particella che attraversa l'elettrolita: protoni (ioni idrogeno), ioni idrossido oppure ioni ossido. Proprio questa differenza distingue le famiglie di elettrolizzatori.

In un impianto reale le singole celle sono impilate in uno «stack», al quale si aggiungono gli impianti ausiliari: alimentazione elettrica e conversione da corrente alternata a continua, trattamento dell'acqua, raffreddamento, separazione e purificazione dei gas. Per questo i consumi si misurano sia sullo stack sia sull'intero sistema, e il secondo valore è sempre più alto.

I quattro tipi di elettrolizzatore: alcalino, PEM, AEM e a ossidi solidi

Le tecnologie sono quattro: due pienamente commerciali, una vicina al mercato e una ancora in sviluppo.

Alcalino. Usa una soluzione liquida di idrossido di potassio o di sodio e lavora a circa 60–90 °C. L'ENEA la descrive come la tecnologia più diffusa a livello industriale e più matura; il punto da migliorare è il comportamento dinamico, cioè la capacità di seguire carichi elettrici che variano rapidamente.
PEM (a membrana a scambio protonico). L'elettrolita è una membrana polimerica solida che conduce ioni idrogeno, con temperature di esercizio di circa 70–90 °C. Risponde rapidamente alle variazioni di potenza, una qualità utile con fonti intermittenti, ma richiede catalizzatori a base di metalli del gruppo del platino, come platino e iridio.
AEM (a membrana a scambio anionico). Prova a combinare i vantaggi delle due precedenti: membrana solida, ma catalizzatori senza metalli nobili. L'ENEA la classifica come tecnologia ancora in sviluppo e indica tra i suoi limiti il degrado della membrana e la durata.
A ossidi solidi (SOEC). L'elettrolita è una ceramica che conduce ioni ossido e la cella lavora a temperature molto alte, circa 650–850 °C. Parte dell'energia necessaria arriva sotto forma di calore, per cui il consumo di elettricità è più basso; il prezzo da pagare è un degrado più rapido dei materiali e costi d'impianto ancora elevati.

La tabella riassume le caratteristiche principali. I consumi elettrici sono i valori dello stato dell'arte 2020 indicati dalla Clean Hydrogen Partnership europea.

Tipo	Elettrolita	Temperatura	Consumo elettrico	Punto di forza	Limite principale
Alcalino	Soluzione liquida di idrossido di potassio o sodio	60–90 °C	circa 50 kWh/kg	Tecnologia più matura e diffusa	Risposta meno dinamica ai carichi variabili
PEM	Membrana polimerica che conduce protoni	70–90 °C	circa 55 kWh/kg	Risposta rapida, adatta alle rinnovabili	Catalizzatori con platino e iridio
AEM	Membrana a scambio anionico	Bassa temperatura	circa 55 kWh/kg	Catalizzatori senza metalli nobili	Ancora in sviluppo, durata della membrana da migliorare
SOEC	Ceramica che conduce ioni ossido	650–850 °C	circa 40 kWh/kg più circa 10 kWh/kg di calore	Minore consumo di elettricità	Degrado più rapido e costi elevati

Quanta energia consuma un elettrolizzatore per ogni kg di idrogeno

Il dato che conta per capire l'economia dell'idrogeno è il consumo di elettricità per chilogrammo prodotto. Un riferimento teorico è il potere calorifico superiore dell'idrogeno, circa 39 kWh per kg: è il valore che un rapporto del laboratorio statunitense NREL indica per un sistema «ideale». Nessuna macchina reale ci arriva.

Secondo gli indicatori di prestazione della Clean Hydrogen Partnership, nel 2020 un elettrolizzatore alcalino consumava circa 50 kWh/kg e uno PEM circa 55 kWh/kg; l'obiettivo per il 2030 è scendere a 48 kWh/kg per entrambi. Per le celle a ossidi solidi il fabbisogno elettrico era di circa 40 kWh/kg, a cui si aggiungono quasi 10 kWh/kg di calore, con un obiettivo di 37 kWh/kg al 2030.

Il Dipartimento dell'Energia statunitense fornisce un quadro simile per i sistemi PEM: nel 2022 un sistema completo consumava 55 kWh/kg, pari a un'efficienza del 61% riferita al potere calorifico inferiore, con un obiettivo di 51 kWh/kg nel 2026 e di 46 kWh/kg nel lungo periodo. In altre parole, anche nei sistemi più recenti una quota consistente dell'energia elettrica immessa non si ritrova nell'idrogeno prodotto.

Consiglio: quando leggete il rendimento di un elettrolizzatore, controllate se il valore si riferisce allo stack o all'intero sistema e se è calcolato sul potere calorifico inferiore o superiore. Le stesse prestazioni possono essere presentate con percentuali molto diverse.

A pesare sulla durata è anche il degrado. Sempre secondo la Clean Hydrogen Partnership, nel 2020 la perdita di prestazioni era di circa lo 0,12% ogni mille ore per l'alcalino e dello 0,19% per il PEM. Per le celle a ossidi solidi il valore indicato è dell'1,9%, misurato però con una definizione diversa, che rende il confronto solo indicativo.

Elettrolizzatore e idrogeno verde: perché conta la fonte elettrica

Un elettrolizzatore non è «verde» di per sé: l'idrogeno è a basse emissioni solo se lo è l'elettricità che lo alimenta. L'idrogeno verde è quello ottenuto con elettricità rinnovabile; quello ottenuto da combustibili fossili senza cattura della CO₂, che copre ancora la gran parte della produzione mondiale, ha invece un'impronta climatica elevata.

Per l'Unione europea la definizione è giuridica. La Commissione ricorda che il primo atto delegato, adottato nel giugno 2023, fissa i criteri dei carburanti rinnovabili di origine non biologica (RFNBO) e stabilisce quali prodotti rientrano nella categoria «idrogeno rinnovabile». Collegare un elettrolizzatore alla rete, quindi, non basta per vendere il prodotto come rinnovabile.

I numeri mostrano quanto la strada sia lunga. Secondo il Global Hydrogen Review 2026 dell'Agenzia internazionale dell'energia, la domanda mondiale di idrogeno ha superato i 100 milioni di tonnellate nel 2025, mentre la produzione a basse emissioni si è avvicinata a 1 milione di tonnellate e dovrebbe superare per la prima volta l'1% del totale nel 2026. La capacità di elettrolisi installata nel mondo è raddoppiata nel 2025, superando i 4 GW, e quasi tre quarti delle nuove installazioni si trovano in Cina. Fuori dalla Cina, osserva l'IEA, l'idrogeno a basse emissioni resta nella maggior parte delle regioni più costoso di quello di origine fossile.

Dove si usano gli elettrolizzatori: Unione europea e Italia

Gli impieghi più promettenti sono quelli in cui l'idrogeno è già usato o è difficile elettrificare: raffinerie, produzione di ammoniaca e fertilizzanti, acciaio, chimica, trasporti pesanti. L'elettrolizzatore può inoltre assorbire elettricità rinnovabile nelle ore di sovrapproduzione.

La strategia europea sull'idrogeno del 2020 fissava l'obiettivo di almeno 6 GW di elettrolizzatori per idrogeno rinnovabile entro il 2024 e di 40 GW entro il 2030, per una produzione fino a 10 milioni di tonnellate. Con il piano REPowerEU del 2022 l'asticella si è alzata: secondo la Commissione europea, l'obiettivo è produrre 10 milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile e importarne altrettante entro il 2030. Le stime dell'IEA sui progetti effettivamente avviati indicano però che il ritmo reale è molto più lento di quello previsto.

In Italia lo strumento principale è l'investimento 3.1 della componente M2C2 del PNRR, le cosiddette «Hydrogen Valleys»: produzione di idrogeno verde in aree industriali dismesse. Secondo un decreto del ministero dell'Ambiente e della sicurezza energetica del giugno 2024, la misura dispone complessivamente di 500 milioni di euro, di cui 450 milioni destinati ai progetti nelle aree dismesse, più 90 milioni aggiuntivi da REPowerEU. Il traguardo fissato era il completamento di almeno 10 progetti, poi portati ad almeno 12, entro il 30 giugno 2026, con una capacità media di almeno 1–5 MW ciascuno: impianti di piccola taglia rispetto ai grandi progetti industriali.

Domande frequenti

Che cosa produce un elettrolizzatore oltre all'idrogeno?

Ossigeno, che si libera all'anodo, e calore, perché una parte dell'elettricità consumata non si trasforma in energia chimica dell'idrogeno.

Un elettrolizzatore collegato alla rete produce idrogeno verde?

Non automaticamente. L'idrogeno è verde solo se l'elettricità è rinnovabile; nell'Unione europea i criteri per qualificarlo come rinnovabile sono stabiliti da un atto delegato adottato nel 2023.

Quanti elettrolizzatori sono installati nel mondo?

Secondo l'IEA, a fine 2025 la capacità mondiale di elettrolisi superava i 4 GW, il doppio rispetto all'anno precedente, con la Cina responsabile di quasi tre quarti delle nuove installazioni.