Solare

I ricercatori hanno costruito un impianto pilota su scala kilowatt in grado di produrre sia idrogeno verde che calore utilizzando l’energia solare. L’impianto solare-idrogeno è il più grande costruito fino ad oggi e produce circa mezzo chilogrammo di idrogeno in 8 ore, che equivale a poco più di 2 kilowatt di potenza di uscita equivalente.

"Abbiamo superato il limite di 1 kW per la produzione di idrogeno solare", afferma Sophia Haussener, professoressa di scienza e ingegneria delle energie rinnovabili presso il Politecnico federale di Losanna (EPFL). "Con mezzo chilogrammo di idrogeno puoi guidare un'auto per circa 100 chilometri. Oppure puoi usarlo in una cella a combustibile per produrre elettricità e soddisfare circa la metà del fabbisogno elettrico di una famiglia di quattro persone al giorno."

Circa il 95% dell’idrogeno utilizzato oggi nel mondo, principalmente per la produzione di fertilizzanti e altri prodotti chimici o per la raffinazione del petrolio, viene prodotto dal cracking del gas naturale, che nel processo produce anidride carbonica. Ma l’idrogeno rappresenta un’enorme promessa anche come combustibile per aerei e navi, per il riscaldamento delle case e per la produzione di elettricità.

Per essere un combustibile sostenibile, tuttavia, l’idrogeno deve essere prodotto utilizzando energia rinnovabile o nucleare con emissioni minime. Questa idea dell’idrogeno verde sta ora prendendo piede in tutto il mondo. Ad esempio, è il fulcro dei piani dell’Australia per decarbonizzare la propria economia.

Uno dei modi più sostenibili per produrre idrogeno è utilizzare l’energia solare per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo può essere fatto utilizzando sistemi fotoelettrochimici (PEC) che combinano un dispositivo fotovoltaico e un dispositivo elettrolizzatore. Il dispositivo fotovoltaico assorbe la luce solare e genera elettricità che guida la scissione elettrolitica dell'acqua. "Non è necessario progettare e pagare per due sistemi separati", afferma Haussener. "È un unico sistema integrato, quindi alla fine c'è un vantaggio in termini di costi."

I sistemi PEC hanno mostrato enormi promesse su scala di laboratorio. I ricercatori hanno finora dimostrato configurazioni su piccola scala con meno di 100 watt di potenza in uscita. Haussener afferma che passare a sistemi più grandi non è facile perché implica bilanciare efficienza, stabilità e costi operativi e massimizzare i tassi di produzione.

Per raggiungere questo equilibrio, lei e i suoi colleghi concentrano la radiazione solare su un piccolo punto, dove posizionano un modulo di cella solare utilizzando riflettori a specchio. Utilizzano celle solari a semiconduttore multigiunzione III-V tandem, che sono molto efficienti nel convertire la luce solare in elettricità, ma proibitivamente costose da utilizzare in dispositivi di grandi dimensioni.

Per il grande sistema su scala kilowatt riportato su Nature Energy, i ricercatori hanno costruito un piatto solare parabolico largo 7 metri ricoperto di specchi riflettenti che concentra la radiazione solare a circa 1.000 volte quella della normale emissione del sole. Il piatto segue il sole per un periodo da 6 a 8 ore.

L'elettricità prodotta dal modulo della cella solare aziona un elettrolizzatore a membrana elettrolitica polimerica, un tipo di elettrolizzatore che utilizza un materiale plastico solido come elettrolita. Questi dispositivi possono funzionare a densità di corrente molto elevate, il che conferisce loro un vantaggio rispetto ad altri elettrolizzatori se utilizzati insieme all’energia eolica e solare, che possono creare improvvisi picchi di potenza.

Non tutta l'energia solare concentrata che cade sulla cella solare viene convertita in elettricità. Una parte viene convertita in calore di scarto, che il team estrae utilizzando uno scambiatore di calore. Il calore potrebbe essere utilizzato per il riscaldamento degli ambienti o per l’acqua calda negli edifici, afferma Haussener, o per alimentare processi industriali.

Il team ha impiegato circa due anni per costruire il sistema nel campus dell'EPFL e affrontare diverse sfide progettuali e operative. Una sfida chiave, ad esempio, è stata quella di gestire attentamente il flusso dell’acqua attraverso il sistema per massimizzare l’uso del calore e aumentare l’efficienza.

Al momento, l’idrogeno prodotto viene alimentato in una cella a combustibile per produrre elettricità in un edificio vicino. Attraverso una startup chiamata SoHHytec, il team dell’EPFL sta ora ampliando la propria tecnologia di produzione di idrogeno e calore per commercializzarla.