Con un sistema innovativo che unisce fotovoltaico multigiunzione, concentrazione solare ed elettrolizzatori PEM, un gruppo di scienziati ha raggiunto il più alto tasso di conversione dell'energia solare in energia chimica.
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Dalla ricerca tedesca nuovi progressi per l’elettrolisi fotovoltaica
L’elettrolisi fotovoltaica diretta raggiunge un nuovo primato a livello mondiale. Un gruppo di ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare ISE, in Germania, è riuscito a portare l’efficienza della conversione solare-idrogeno al livello record del 31,3%, segnando un risultato unico. E come spiega il loro articolo su Communications Engineering, il valore è frutto di una nuova architettura che integra speciali celle solari multigiunzione direttamente a un elettrolizzatore di tipo PEM.
Come produrre idrogeno dall’energia solare
L’innovativo modulo HyCon® – questo il nome con cui è stato battezzato il dispositivo – si colloca in una lunga lista di innovazioni dedicate all’H2 solare e che ben spiegano la portata della ricerca.
Esistono essenzialmente tre grandi approcci elettrochimici per produrre idrogeno dall’energia solare in maniera diretta:
- la scissione fotobiologica dell’acqua;
- la fotosintesi artificiale;
- i moduli ibridi fotovoltaico-elettrolisi.
Scissione fotobiologica
Nella scissione fotobiologica dell’acqua, o “fotosintesi biologica ingegnerizzata”, alcuni microorganismi vengono utilizzati per produrre idrogeno gassoso, spegnendo parte del loro metabolismo: questo approccio è caratterizzato da basse efficienze di conversione, tipicamente intorno all’1%, e al momento attuale richiederebbe aree estremamente vaste per una produzione rilevante.
Fotosintesi artificiale
Nella fotosintesi artificiale i semiconduttori che assorbono la luce solare sono accoppiati a catalizzatori per scindere l’acqua. L’efficienza di questo metodo aumenta se l’assorbitore fornisce un potenziale superiore a 1,23 V e se assorbe un’ampia gamma dello spettro solare. I risultati migliori sono stati ottenuti finora con strutture tandem (come GaInP/GaAs) che hanno raggiunto efficienze di conversione solare-idrogeno comprese tra il 10,5% e il 19,3%.
Approccio fotovoltaico-elettrolisi
Nell’approccio ibrido FV-E si prevede il collegamento diretto tra celle solari ed elettrodi di una cella elettrolitica. Questa configurazione elimina la necessità di elettronica per la conversione di potenza, riducendo i costi del sistema e permettendo un funzionamento indipendente dalla rete.
In teoria è anche quella che potrebbe permettere un’efficienza di conversione più alta, ma allo stato attuale la sfida principale è riuscire a progettare un sistema in cui i componenti solari ed elettrolitici siano perfettamente bilanciati per operare il più vicino possibile all’MPP in condizioni variabili, garantendo al contempo una lunga durata operativa.
Il modulo HyCon®
È esattamente a questo punto che si inserisce la nuova ricerca del Fraunhofer ISE. I ricercatori hanno risolto il problema del disallineamento accoppiando in modo specifico un array di quattro celle solari a 4 giunzioni in parallelo e con concentratore con due celle di elettrolisi PEM collegate in serie. Questa configurazione ha permesso di operare a soli 79 mV di distanza dal punto di massima potenza della cella solare, aumentando l’efficienza.
Non solo. Per evitare l’accelerazione della degradazione dei catalizzatori (che avviene sopra i 2,4 V), il sistema è stato progettato per mantenere la tensione operativa delle celle PEM sotto i 1,8 V.
Elettrolisi fotovoltaica, le performance
Durante le 107 ore di test all’aperto, non solo è stata raggiunta un’efficienza di conversione del 31,3%, ma non è stata osservata alcuna riduzione delle prestazioni. Inoltre, eliminando la necessità di elettronica per la conversione e consentendo un funzionamento indipendente dalla rete tipico degli elettrolizzatori moderni, il sistema riduce i costi del bilancio di sistema (BOS).
Le stime indicano un costo per l’idrogeno nell’elettrolisi fotovoltaica di appena 3 $/kg, che rientrerebbe nell’intervallo di competitività previsto dall’Agenzia Internazionale dell’Energia. Nota bene: il prototipo ha utilizzato il riscaldamento attivo dell’acqua per i test per migliorare l’elettrolisi, ma gli scienziati sono convinti che le celle possano rilasciare normalmente abbastanza calore per riscaldare l’acqua da 20 °C a 60 °C in un sistema a circuito chiuso.
