Piattaforma per acqua, gas e calore
L'idrogeno è un punto di partenza fondamentale per la riorganizzazione dei processi industriali nel rispetto del clima. Tuttavia, una fonte di energia che brucia senza rilasciare CO2 dovrebbe, se possibile, essere prodotta anche senza impronta di CO2. Un processo classico in tal senso è l'elettrolisi, in cui l'acqua viene scomposta in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità. Se l'elettricità necessaria per l'elettrolisi proviene da fonti rinnovabili come il fotovoltaico, si produce idrogeno verde. Lo svantaggio è che gli elettrolizzatori necessari per questo processo sono di solito sistemi grandi e molto complessi. Inoltre, i dispositivi, costosi e che richiedono molta manutenzione, stanno diventando scarsi, soprattutto nell'attuale clima politico globale e climatico.
La scissione solare diretta dell'acqua, o cella fotoelettrochimica (PEC), offre un'interessante alternativa. Nel progetto congiunto Neo-PEC, i ricercatori di tre istituti Fraunhofer hanno sviluppato una soluzione modulare che consente di produrre e fornire idrogeno in modo altamente flessibile utilizzando l'energia solare.
Il cuore dello sviluppo Fraunhofer è un modulo PEC tandem. È simile alla sua classica controparte fotovoltaica, con una differenza fondamentale: l'elettricità non viene generata per essere successivamente elettrolizzata altrove. L'intero processo avviene in un'unica unità. In questo caso è necessaria una certa cautela: Poiché nel processo si producono idrogeno e ossigeno, la struttura deve essere progettata in modo tale che questi elementi vengano generati e rimangano rigorosamente separati l'uno dall'altro.
Per la cella tandem, gli esperti rivestono su entrambi i lati il vetro piano o float disponibile in commercio con materiali semiconduttori. Quando viene esposto alla luce solare, un lato del modulo assorbe la luce a onde corte. Allo stesso tempo, la luce a onde lunghe penetra nello strato superiore del vetro e viene assorbita sul lato opposto. Il modulo rilascia idrogeno sul lato opposto o catodico e ossigeno sul lato superiore, anodico.
Durante il progetto triennale, gli scienziati del Fraunhofer hanno ricercato e sviluppato materiali semiconduttori di elevata purezza, che hanno applicato utilizzando processi di rivestimento particolarmente delicati. Ciò consente di aumentare la resa di idrogeno del processo.
«Utilizziamo la fase gassosa per costruire strati di spessore nanometrico sul vetro. Le strutture risultanti hanno una grande influenza sull'attività del reattore, oltre alle proprietà effettive del materiale, che abbiamo anche ottimizzato», spiega Arno Görne, Group Leader Functional Materials for Hybrid Microsystems presso il Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS. Gli elementi fotovoltaici collegati nel modulo forniscono al sistema una tensione aggiuntiva: agisce come un turbo che accelera l'attività e aumenta ulteriormente l'efficienza.
Il risultato è un reattore con una superficie attiva di mezzo metro quadrato. Separato dall'ossigeno, produce idrogeno, che può essere raccolto e quantificato immediatamente. Attualmente un singolo modulo produce più di 30 chili di idrogeno all'anno per 100 metri quadrati alla luce del sole in Europa. Con questa resa, un'auto a idrogeno, ad esempio, potrebbe percorrere da 15 a 20.000 chilometri.
«Le dimensioni della cella tandem sono limitate dal fatto che il nostro modulo scinde direttamente l'acqua, ma anche l'elettricità deve passare da un lato all'altro. Quando la superficie del modulo aumenta, le resistenze crescenti hanno un effetto negativo sul sistema. Il formato attuale si è dimostrato ottimale. È stabile, robusto e significativamente più grande di tutte le soluzioni comparabili», sottolinea Görne. Gli elementi compatti possono essere interconnessi a seconda delle esigenze senza effetti collaterali negativi, da un singolo modulo a grandi aree: un vantaggio significativo della soluzione Fraunhofer.
Il progetto è anche un esempio di successo di collaborazione tra istituti e di combinazione di competenze complementari del Fraunhofer: Nell'ambito del progetto, ora concluso, il Fraunhofer IKTS ha svolto ricerche sui materiali e sulla lavorazione dello strato fotoattivo. I colleghi dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria delle superfici e dei film sottili IST hanno contribuito con la loro esperienza nel rivestimento di grandi superfici mediante deposizione fisica da vapore. La progettazione del reattore, la produzione economica e affidabile e la successiva valutazione dei moduli sono state affidate agli esperti del Fraunhofer Centre for Silicon Photovoltaics CSP.
I partner del progetto hanno già dimostrato in numerosi test sul campo che il modulo e l'interconnessione funzionano in modo stabile e senza problemi. Tuttavia, i team del Fraunhofer, che a giugno hanno presentato con successo il loro reattore per la prima volta alla fiera Achema 2024 di Francoforte, stanno da tempo pianificando i prossimi passi: In primo luogo, intendono continuare la loro proficua collaborazione con l'istituto in un progetto successivo e, in secondo luogo, intendono sviluppare ulteriormente la loro soluzione in varie direzioni, in collaborazione con le aziende, per una produzione e fornitura decentralizzata di idrogeno diretta, sicura ed efficiente.
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