Dimostrata sperimentalmente un'efficienza di conversione da solare a idrogeno del 12,6% e un tasso di produzione di idrogeno verde di 35,9 L/ m2 all'ora
Produrre idrogeno verde marino grazie al sole
Ridurre il costo della produzione dell’idrogeno verde ad appena 1 dollaro al kg. Questa la meta che un gruppo di ingegneri della Cornell University è convinto di poter rendere possibile in 15 anni. Lo strumento per riuscirci? Un nuovo dispositivo ibrido che unisce distillazione solare ed elettrolisi dell’acqua per generare idrogeno verde marino ad alta efficienza.
Il sistema, creato in collaborazione con ricercatori del MIT, della Johns Hopkins University e della Michigan State University, nasce con l’obiettivo di svincolare la generazione del vettore H2 dall’impiego di acqua dolce.
“Teoricamente, per produrre un chilogrammo di idrogeno sono necessari almeno nove chilogrammi di acqua“, scrivono gli scienziati. “Per soddisfare la crescente domanda di idrogeno verde nel 2050 (>500 Mt), l’elettrolisi dovrebbe consumare oltre 4.500 miliardi di litri di acqua pulita all’anno, pari al fabbisogno annuo di oltre 3,5 miliardi di persone. Considerando che quattro miliardi di persone vivono già in una grave carenza idrica, l’accesso limitato a forniture di acqua pulita, sostenibili e affidabili, è diventato uno dei principali ostacoli all’adozione globale delle tecnologie di […] elettrolisi”.
Elettrolisi dell’acqua di mare, una sfida aperta
Ben inteso: ricorrere all’acqua di mare per produrre il vettore non è una novità. Da anni si tenta di portare il settore “offshore” per sfruttare l’enorme potenziale degli oceani attraverso l’elettrolisi diretta dell’acqua di mare. Il problema principale è la composizione dell’acqua salata che determina negli elettrolizzatori gravi incrostazioni e corrosione.
Una possibile soluzione? L’elettrolisi indiretta dell’acqua marina, che integra esternamente un sistema di desalinizzazione e deionizzazione della risorsa idrica. Va da sé che qualsiasi processo in più aggiunto all’elettrolisi si traduce in una maggiore complessità impiantistica e un’aumentata domanda energetica. In altre parole in un costo dell’idrogeno verde marino più alto di quello “onshore”.
È qui che entra in gioco la nuova ricerca. Il gruppo, guidato dal professor Lenan Zhang, è partito dagli ultimi sviluppi del settore che puntano ad elettrolizzatori direttamente integrati a sistemi di distillazione a membrana. Riuscendo ad ottenere un dispositivo pratico, a basso costo e alimentato unicamente dall’energia solare.
Distillazione solare integrata nell’elettrolizzatore
Nel dettaglio il sistema impiega celle fotovoltaiche per alimentare l’elettrolisi dell’acqua, sfruttando il calore disperso dalle stesse per far funzionale la distillazione termica interfacciale. Di cosa si tratta? Di un processo di separazione che impiega il calore applicato localmente per indurre l’evaporazione selettiva del liquido e la sua separazione dal sale e dalle impurità.
“In pratica, la luce a lunghezza d’onda corta interagisce con la cella fotovoltaica per generare elettricità, mentre quella a lunghezza d’onda più lunga genera il calore di scarto per alimentare la distillazione marina”, spiega Zhang. “In questo modo, tutta l’energia solare può essere sfruttata appieno. Nulla viene sprecato”.
Affinché l’evaporazione termica interfacciale avvenga – sottolinea il team – è presente un componente cruciale, chiamato stoppino capillare. Lo stoppino ha il compito di intrappolare l’acqua in una pellicola sottile a diretto contatto con il pannello fotovoltaico. In questo modo, è possibile riscaldare solo la pellicola, anziché un grande volume d’acqua. E l’efficienza di evaporazione aumenta fino a oltre il 90%.
Idrogeno verde marino ad alta efficienza
Un approccio fortemente integrato che ha dimostrato interessanti risultati. Utilizzando solo luce solare naturale e l’acqua di mare come input, l’elettrolizzatore ibrido ha mostrato un’efficienza di conversione da sole a idrogeno del 12,6% e un tasso di produzione di idrogeno verde marino di 35,9 L/m2 all’ora. La ciliegina sulla torta? Il sistema ha generato come sottoprodotto ulteriori 1,2 L/m2 all’ora di acqua pulita.
“Ora, per la prima volta, possiamo produrre una quantità d’acqua sufficiente a soddisfare la domanda di idrogeno”, ha affermato Zhang. E abbiamo anche acqua potabile in più. Due piccioni con una fava”.
La ricerca “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater” è stata pubblicata su Energy & Environmental Science.
