Produrre idrogeno con l'energia solare, con ossigeno e calore come bonus

L'idrogeno è un gas utile. Che tu voglia far galleggiare un dirigibile, alimentare un camion o riscaldare un processo industriale, l’idrogeno può fare il lavoro. Tuttavia, produrlo è attualmente un problema difficile. Sebbene possa essere prodotto in modo pulito utilizzando energia rinnovabile, spesso è molto più economico separarlo dagli idrocarburi utilizzando processi che generano un inquinamento significativo.

Esistono però metodi per generare idrogeno in modo più efficiente, in un processo pulito e sostenibile. che produce anche calore e ossigeno utili come sottoprodotti. La chiave del processo? Sole concentrato.

L’idrogeno è pubblicizzato come il combustibile pulito del futuro, in virtù del fatto che può essere bruciato o utilizzato per produrre elettricità con emissioni minime o nulle. È pubblicizzato come un potenziale carburante per automobili, camion, treni, aerei e persino macchine edili. Tuttavia, sebbene l’idrogeno stesso sia pulito, generarlo spesso non lo è. È iniziata la corsa per trovare un metodo pulito per produrre idrogeno su larga scala, con i ricercatori che studiano tutto, dalle nanoparticelle ai processi pirolitici avanzati. Ogni volta che senti persone parlare di “idrogeno verde”, questo è ciò che intendono: idrogeno prodotto senza nocive emissioni di gas serra.

Con l’obiettivo di produrre idrogeno squisitamente pulito. i ricercatori hanno dimostrato un impianto pilota su scala kilowatt utilizzando la tecnologia dell’idrolisi solare, secondo un articolo pubblicato su Nature. Il sistema funziona con acqua di rubinetto municipale, che viene fatta passare attraverso più filtri antiparticolato e deionizzatori per prepararla per il reattore. All'interno del reattore, l'acqua deionizzata viene riscaldata dalla luce catturata da una parabola a specchio parabolico di 7 metri di diametro, che funge da concentratore per massimizzare l'energia solare che raggiunge il reattore. Questa luce non solo riscalda l’acqua, ma raggiunge anche un pannello fotovoltaico che fornisce energia per far funzionare la cella di elettrolisi PEM, che è ciò che effettivamente divide l’acqua in idrogeno e ossigeno.

La chiave del sistema è la doppia destinazione dell'energia solare in ingresso. L’idea più semplice è semplicemente utilizzare l’energia solare proveniente da un sistema fotovoltaico per alimentare una cella di elettrolisi PEM. In questo caso, però, l'energia solare viene utilizzata anche per riscaldare l'acqua, migliorando drasticamente la resa del processo elettrochimico.

Un approccio olistico massimizza anche il valore economico generato dal sistema. Il calore di scarto del sistema viene catturato con uno scambiatore di calore dove potrebbe essere utilizzato per una varietà di scopi di riscaldamento esterno. Inoltre, il sistema non produce solo idrogeno, ma anche ossigeno. Sebbene non sia direttamente utile come combustibile, è comunque utile per un'ampia varietà di applicazioni industriali e mediche.

L’impianto pilota produce circa mezzo chilo di idrogeno al giorno. Ciò è sufficiente per alimentare una singola auto a idrogeno per un europeo che accumula un chilometraggio annuo abbastanza medio. In alternativa, un impianto di questo tipo potrebbe soddisfare circa la metà del fabbisogno elettrico e oltre la metà del fabbisogno annuale di calore di una famiglia svizzera media. Realisticamente, però, il solare fotovoltaico puro sarebbe molto più semplice in questo caso.

Sono già in atto piani per costruire un sistema più grande su scala di diverse centinaia di kilowatt, che produrrà idrogeno da utilizzare in un impianto svizzero di produzione di metalli. Fornirà inoltre ossigeno per uso medico e acqua calda per l'uso in fabbrica.

Per inciso, se sei interessato a progettare il tuo sistema simile, l'aiuto è a portata di mano. L'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha rilasciato lo strumento di ottimizzazione dei dispositivi fotoelettrochimici solari, o SPECDO in breve. Essenzialmente, è una pagina web piena di calcolatori che determinano i parametri prestazionali di un determinato generatore solare di idrogeno. Dovrai però essere piuttosto ingegnoso con la tua ingegneria e trovare un modo per procurarti un elettrolizzatore PEM efficace per il tuo progetto.

Se l’idrogeno diventerà davvero il combustibile principale del futuro, i processi fotochimici solari per renderlo efficiente saranno fondamentali. Dopotutto, non ha senso spendere ingenti somme di denaro per convertire i trasporti e l’industria all’idrogeno come combustibile se lo produciamo in un modo che crea comunque emissioni di gas serra. Allo stesso tempo, questa ricerca mostra che l’idrogeno non è ancora la soluzione miracolosa a tutti i nostri problemi. Richiede notevole ingegneria e finezza per risultare più pulito dei combustibili che intende sostituire.