Messo a punto in Cina un sistema autosufficiente che abbina la raccolta fototermica dell'acqua atmosferica all'elettrolisi con membrana a scambio protonico.
Come produrre idrogeno verde dall’umidità atmosferica
Generare idrogeno verde da aria e sole, senza alcun apporto esterno di energia, è possibile. Forse non particolarmente efficiente ma sicuramente affidabile e sostenibile. A dimostrarlo è oggi un gruppo di ricercatori della Chinese Academy of Sciences che, in collaborazione con colleghi provenienti da Irlanda e Australia, ha messo a punto un nuovo sistema d’elettrolisi per le regioni con scarsità d’acqua.
Il lavoro ha accoppiato due tecnologie comprovate affinché lavorassero assieme: un sistema di raccolta dell’acqua atmosferica a base di carbonio poroso e un elettrolizzatore con membrana a scambio protonico. Per capire a fondo i progressi raggiunti dal nuovo studio bisogna fare un passo indietro.
Elettrolisi PEMWE: funzionamento, vantaggi e svantaggi
L’elettrolisi dell’acqua con membrana a scambio protonico o PEMWE (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis) per usare l’acronimo inglese è una tecnologia efficiente ed ecologica per la generazione di idrogeno verde. Per funzionare, come tutti gli elettrolizzatori, ha bisogno di energia: applicando una tensione elettrica a entrambi gli elettrodi, l’acqua sul lato dell’anodo rilascia ossigeno, elettroni liberi e ioni idrogeno; quest’ultimi migrano attraverso la membrana fino al catodo dove si combinano con gli elettroni per formare idrogeno gassoso.
I vantaggi delle PEMWE? Possono operare ad alte densità di corrente, riducendo così i costi operativi e possono essere accoppiate a fonti dinamiche come l’eolico e il fotovoltaico, dove improvvisi picchi di immissione di energia altrimenti si tradurrebbero in energia non catturata. Non solo. La membrana presenta una bassa velocità di crossover del gas (gas crossover rate). Di conseguenza l’idrogeno e l’ossigeno prodotti hanno una purezza molto elevata, caratteristica fondamentale soprattutto per l’impiego dell’H₂ delle celle a combustibile.
La sfida dell’acqua pura
Di contro l’elettrolisi PEM ha bisogno di acqua pura come materia prima, il che rappresenta una vera e propria sfida nelle regioni in cui le risorse idriche dolci sono scarse. Una delle alternative possibili è impiegare acqua di mare previa desalinizzazione e purificazione ma questo processo richiede energia e crea rifiuti (le salamoie) difficili da gestire.
Per risolvere il problema il team guidato dal Prof. Yin Huajie dell’Accademia Cinese delle Scienze ha integrato la PEMWE con un sistema di raccolta dell’acqua atmosferica autosufficiente e alimentato a energia solare. Per catturare l’umidità dall’aria il prototipo utilizza un adsorbente fototermico a base di carbonio gerarchicamente poroso. Il funzionamento è semplice: il materiale si lega all’acqua contenuta nell’aria e quando è colpito dalla luce rilascia le molecole adsorbite sulla sua superficie.
Risultati dei Test
Il team ha dotato l’elettrolizzatore di un pannello solare (175 × 116 mm) come fonte di alimentazione elettrica. Una volta messa alla prova la soluzione ha raggiunto una capacità di raccolta dell’acqua record di 0,49 litri all’ora per kg di adsorbente con un’umidità relativa al 40%. Durante i test all’aperto, il sistema ha toccato un picco di generazione di idrogeno verde di 204 ml l’ora a mezzogiorno, utilizzando solo umidità atmosferica come materia prima. Sorprendentemente, spiegano gli scienziati, il sistema è rimasto operativo in condizioni di umidità estremamente bassa (20%) dimostrando la sua validità anche in ambienti aridi.
I risultati sono pubblicati su Advanced Materials (testo in inglese).
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