Tre istituti Fraunhofer si sono uniti per sviluppare una soluzione modulare e flessibile per la generazione di idrogeno con energia solare diretta
Mentre l’industria dell’idrogeno continua ad investire nei “tradizionali” dispositivi di elettrolisi, c’è una parte delle ricerche di settore che sta tentando un secondo approccio per la generazione di H2 pulito. Parliamo della scissione fotoelettrochimica dell’acqua (o “PEC” per usare l’acronimo inglese), branca che ha attirato negli ultimi anni parecchio interesse. L’ultimo progresso in questo segmento arriva dal Fraunhofer Institute, creatore di un mini reattore PEC per la produzione di idrogeno solare.
Il sistema sviluppato è un piccolo un modulo tandem autosufficiente, affidabile e in grado di produrre il vettore direttamente dall’acqua tramite sola esposizione alla luce. In altre parole senza il bisogno di una fonte esterna di elettricità. Per capire meglio la portata dell’innovazione è necessario comprendere come funzionano le celle fotoelettrochmiche.
Come funzionano i reattori PEC?
I reattori PEC impiegano materiali semiconduttori per convertire l’energia solare direttamente in energia chimica. Questi materiali appaiono simili a quelli utilizzati nel fotovoltaico con l’unica grande differenza di essere immersi costantemente in un elettrolita a base d’acqua. Le unità possono essere realizzate come sistemi di elettrodi simili ai pannelli fotovoltaici o come sistemi di particelle in sospensione.
Nel dettaglio il processo fotoelettrochimico comporta tre fasi principali:
- la generazione di portatori di carica (coppie elettrone-lacuna) come risultato dell’assorbimento della luce da parte di un semiconduttore con un bandgap appropriato;
- la separazione della carica e la migrazione della stessa all’interfaccia semiconduttore-elettrolita;
- le reazioni superficiali di riduzione e ossidazione dell’acqua.
Il vantaggio di questo approccio? Sulla carta la scissione fotoelettrochimica offre il potenziale per un’elevata efficienza di conversione a basse temperature operative utilizzando materiali a basso costo. Nella realtà dei fatti, tuttavia, la tecnologia deve superare diverse sfide. A cominciare dal miglioramento dell’assorbimento solare e da una maggiore durata dei materiali. I due più grandi svantaggi dei rettori PEC per la produzione di idrogeno solare sono proprio la mancanza di stabilità a lungo termine di alcuni fotocatalizzatori (a causa della corrosione in acqua) e la criticità di alcuni processi di rivestimento e fabbricazione.
Il mini reattore PEC del Fraunhofer Institute
Nel progetto di ricerca Neo-PEC, i ricercatori di tre istituti Fraunhofer hanno unito forze e competenze per sviluppare una soluzione modulare che consentisse una generazione flessibile di idrogeno direttamente da acqua e luce solare.
Il risultato è stato un modulo PEC tandem realizzato rivestendo una lastra di vetro con materiali semiconduttori su entrambi i lati. “Quando la luce solare colpisce il vetro, un lato del modulo assorbe la luce a lunghezza d’onda corta. Allo stesso tempo, la luce a lunghezza d’onda lunga attraversa lo strato superiore del vetro e viene assorbita sul lato opposto. Il modulo rilascia idrogeno sul lato opposto o catodo e l’ossigeno sul lato superiore, che è il lato anodo“, spiega una nota stampa.
Per arrivare a questo risultato gli scienziati hanno studiato e sviluppato diversi materiali fotoelettrochimici ottimizzati e tecniche di applicazione che permettessero di “spalmare” sul vetro sottilissimi strati di semiconduttore. Con una superficie attiva di mezzo metro quadrato il mini reattore PEC del Fraunhofer costituisce un sistema modulare, flessibile e affidabile.
“Per quanto riguarda le dimensioni della cella tandem – spiega il dott. Arno Görne, del Fraunhofer IKTS – siamo limitati dal fatto che il nostro modulo divide l’acqua direttamente, ma è anche necessario che l’elettricità passi da un lato all’altro per raggiungere questo obiettivo. Man mano che l’area del modulo aumenta, la resistenza crescente ha un effetto sfavorevole sul sistema. Allo stato attuale delle cose, il formato esistente ha dimostrato di essere ottimale. È stabile, robusto e significativamente più grande di qualsiasi soluzione comparabile“.
Ma quanto idrogeno produce il mini reattore PEC? Secondo le stime degli scienziati il sistema può generare oltre 30 chilogrammi di vettore l’anno su 100 metri quadrati.
