Idrogeno verde: la scissione dell’acqua PEC può diventare competitiva

La luce solare può essere utilizzata per produrre idrogeno verde direttamente dall'acqua in cellule fotoelettrochimiche (PEC), spiegano in un comunicato stampa gli scienziati dell'Holmholtz Zentrum di Berlino.

Finora i sistemi basati su questo “approccio diretto” non sono stati energeticamente competitivi. Tuttavia, l’equilibrio cambia non appena una parte dell’idrogeno in tali celle PEC viene utilizzata nel loro posto naturale per una reazione di idrogenazione catalitica, con conseguente coproduzione di sostanze chimiche utilizzate nelle industrie chimiche e farmaceutiche. Lo studio mostra che il tempo di recupero energetico della produzione di idrogeno “verde” fotoelettrochimico può essere ridotto drasticamente.

L’idrogeno può essere prodotto mediante elettrolisi dell’acqua, idealmente con celle solari o energia eolica che forniscono l’energia elettrica necessaria. Si prevede che questo idrogeno “verde” svolgerà un ruolo importante nel sistema energetico del futuro. Negli ultimi dieci anni la scissione solare dell’acqua ha fatto notevoli progressi: i migliori elettrolizzatori, che ricavano la tensione necessaria dai moduli fotovoltaici o dall’energia eolica, raggiungono già rendimenti fino al 30%. Questo è l'approccio indiretto.

Presso l’HZB Institute for Solar Fuels, diversi team stanno lavorando a un approccio diretto alla scissione dell’acqua solare: stanno sviluppando fotoelettrodi che convertono la luce solare in energia elettrica, sono stabili in soluzioni acquose e promuovono cataliticamente la scissione dell’acqua. Questi fotoelettrodi sono costituiti da assorbitori di luce intimamente accoppiati a materiali catalizzatori per formare il componente attivo di una cella fotoelettrochimica (PEC). Le migliori celle PEC basate su assorbitori di ossidi metallici stabili e a basso costo raggiungono già efficienze vicine al 10%. Sebbene le celle PEC siano ancora meno efficienti degli elettrolizzatori alimentati dal fotovoltaico, presentano anche importanti vantaggi: nelle celle PEC, ad esempio, il calore della luce solare può essere utilizzato per accelerare ulteriormente le reazioni. E poiché con questo approccio le densità di corrente sono da dieci a cento volte inferiori, è possibile utilizzare materiali abbondanti e molto economici come catalizzatori.

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Finora le analisi hanno dimostrato che l’approccio PEC non è ancora competitivo per l’attuazione su larga scala. L’idrogeno proveniente dai sistemi PEC oggi costa circa 10 dollari/kg, circa 6 volte di più dell’idrogeno proveniente dallo steam reforming del metano fossile (1,5 dollari/kg). Inoltre, si stima che la domanda cumulativa di energia per la scissione dell’acqua PEC sia da 4 a 20 volte superiore a quella per la produzione di idrogeno con turbine eoliche ed elettrolizzatori.

"È qui che volevamo portare un nuovo approccio", afferma la dott.ssa Fatwa Abdi dell'Istituto HZB per i combustibili solari. Il gruppo di Abdi ha studiato come cambia l'equilibrio quando parte dell'idrogeno prodotto reagisce ulteriormente con l'acido itaconico (IA) nello stesso reattore per formare acido metilsuccinico (MSA).

Per prima cosa hanno calcolato quanta energia è necessaria per produrre la cella PEC da assorbitori di luce, materiali catalizzatori e altri materiali come il vetro, e quanto tempo deve funzionare per produrre questa energia sotto forma di energia chimica come idrogeno o MSA. Per il solo idrogeno, questo “tempo di recupero energetico” è di circa 17 anni, presupponendo una modesta efficienza del 5% da solare a idrogeno. Se solo il 2% dell’idrogeno prodotto viene utilizzato per convertire IA in MSA, il tempo di recupero energetico si dimezza, mentre se il 30% dell’idrogeno viene convertito in MSA, l’energia di produzione può essere recuperata dopo soli 2 anni. "Ciò rende il processo molto più sostenibile e competitivo", afferma il dott. Abdi. Uno dei motivi: l'energia necessaria per sintetizzare l'MSA in una cella PEC di questo tipo rappresenta solo un settimo del fabbisogno energetico dei processi di produzione convenzionali dell'MSA.