Idrogeno verde dall’energia solare

Idrogeno verde dall’energia solare. Il team di ricerca dell’Università di Tubinga ha sviluppato una cella solare altamente efficiente che consente la produzione decentralizzata di idrogeno.

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando a metodi più efficienti per produrre idrogeno. L’idrogeno potrebbe contribuire in modo decisivo a ridurre il consumo di materie prime fossili, soprattutto se prodotto con energie rinnovabili. Le tecnologie esistenti per la produzione di idrogeno neutrale dal punto di vista climatico sono ancora troppo inefficienti o troppo costose per un’applicazione su larga scala. Un gruppo di ricerca dell’Università di Tubinga propone ora un nuovo tipo di cella solare con un’efficienza notevolmente elevata. Consente la produzione decentralizzata di idrogeno e ha il potenziale per applicazioni su scala industriale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Cell Reports Physical Science.

Una cella solare subacquea

Quando l’idrogeno viene prodotto dall’acqua tramite elettrolisi utilizzando energia rinnovabile, viene definito “idrogeno verde” per la sua produzione nel rispetto del clima. Nella scissione solare dell’acqua, spesso definita fotosintesi artificiale, l’idrogeno viene prodotto utilizzando l’energia del sole. Un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Matthias May dell’Istituto di Chimica Fisica e Teorica dell’Università di Tubinga ha sviluppato una cella solare che è parte integrante dell’apparato fotoelettrochimico e lavora direttamente con i catalizzatori per la scissione dell’acqua. La particolarità dello sviluppo di Tubinga è che non è più necessario un circuito esterno aggiuntivo, come nel caso di un pannello solare fotovoltaico.

Questo approccio innovativo rende la tecnologia più completa, più flessibile e potenzialmente più efficiente dal punto di vista dei costi. Tuttavia, questo design comporta maggiori requisiti per le celle solari. “Tra i ricercatori del settore, la realizzazione di una scissione fotoelettrochimica o diretta dell’acqua stabile ed efficiente è una sorta di santo graal”, afferma May.

La particolarità della struttura della cella solare è l’elevato grado di controllo delle interfacce tra i diversi materiali. Le strutture superficiali sono prodotte e controllate su una scala di pochi nanometri, o milionesimi di millimetro. Particolarmente problematici sono i piccoli difetti cristallini che si verificano, ad esempio, durante la costruzione degli strati delle celle solari. Tali difetti modificano la struttura elettronica e possono quindi ridurre sia l’efficienza che la stabilità del sistema.

May aggiunge: “Nel complesso, tuttavia, la corrosione – e quindi la stabilità a lungo termine della cella solare in acqua – è ancora la sfida più grande. In questo senso, abbiamo fatto grandi progressi rispetto al nostro lavoro precedente”.

Il design tecnico della nuova cella è innovativo e particolarmente efficace. Il tasso di efficienza della cella esprime la percentuale di energia proveniente dalla luce solare che può essere convertita in energia idrogeno utilizzabile (potere calorifico). Il team di ricerca ha raggiunto un’efficienza del 18%, il secondo valore più alto mai misurato per la scissione solare diretta dell’acqua. Le prime efficienze significative per la scissione solare dell’acqua sono state presentate nel 1998 dal NREL negli Stati Uniti con il 12%. Solo nel 2015 si è passati al 14% (May et al.) e nel 2018 al 19% (Cheng et al.).

Possibile applicazione su larga scala

Diverse iniziative di altre università dimostrano che la tecnologia, anche con rendimenti molto più bassi, può essere commercializzata. Erica Schmitt, prima autrice dello studio, spiega: “Quella che abbiamo sviluppato qui è una tecnologia per la produzione di idrogeno solare che non richiede un collegamento ad alte prestazioni alla rete elettrica. Ciò significa che sono concepibili anche soluzioni stand-alone permanenti più piccole per l’approvvigionamento energetico”.

Il lavoro di Tubinga è inserito nel progetto congiunto H2Demo, finanziato dal Ministero federale dell’Istruzione e della Ricerca BMBF, che coinvolge partner esterni tra cui l’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare (ISE). Le prossime tappe comprendono il miglioramento della stabilità a lungo termine, il trasferimento a un sistema di materiali a base di silicio più economico e l’aumento di scala a superfici più ampie. I risultati della ricerca potrebbero dare un contributo significativo all’approvvigionamento energetico e alla riduzione delle emissioni di CO2.

foto di copertina: Contaminante sullo strato della finestra della cella PEC

fonte articolo: Green hydrogen from solar energy | University of Tübingen (uni-tuebingen.de)

per approfondire: Photoelectrochemical Schlenk cell functionalization of multi-junction water-splitting photoelectrodes – ScienceDirect

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