Piccole centrali elettriche per idrogeno verde

Modulo singolo di un reattore tandem PEC autonomo. © Fraunhofer IKTS / Modulo individuale di un reattore tandem PEC autonomo. © Fraunhofer IKTS

L'idrogeno prodotto con la forza del sole potrebbe in futuro sostituire ampiamente i combustibili fossili e contribuire alla riduzione delle emissioni di CO2. Nel progetto congiunto Neo-PEC, esperti di Fraunhofer hanno sviluppato un modulo tandem che produce in modo autonomo e sicuro idrogeno verde solare.

Per la riconversione ecocompatibile dei processi industriali, l'idrogeno rappresenta un punto centrale. Un vettore energetico che brucia senza rilasciare CO2 dovrebbe, se possibile, essere anche prodotto senza impronta di carbonio. Un metodo classico per questo è l'elettrolisi, che scompone l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità. Se l'elettricità necessaria proviene da fonti rinnovabili come il fotovoltaico, si ottiene idrogeno verde. Lo svantaggio: gli elettrolizzatori necessari per questo processo sono generalmente grandi e altamente complessi. Inoltre, le apparecchiature costose e di manutenzione sono scarse, soprattutto sotto le attuali condizioni politiche mondiali e climatiche.

Produzione solare di idrogeno

Un'alternativa interessante è la scissione diretta dell'acqua solare, in inglese cella fotoelettrochimica (PEC). Nel progetto congiunto Neo-PEC, ricercatori di tre istituti Fraunhofer hanno sviluppato una soluzione modulare che permette una produzione e fornitura di idrogeno altamente flessibile con energia solare.

Il cuore dello sviluppo Fraunhofer è un modulo PEC tandem. Ricorda il suo equivalente fotovoltaico classico – con una differenza fondamentale: l'elettricità non viene prodotta per essere utilizzata successivamente in un elettrolizzatore separato. L'intero processo avviene in un'unica unità. Tuttavia, bisogna fare attenzione: poiché nel processo si producono idrogeno e ossigeno, la struttura deve essere progettata in modo che questi elementi siano prodotti e rimangano rigorosamente separati.

Per la cella tandem, gli esperti rivestono entrambi i lati di vetro float o piatto commerciale con materiali semiconduttori. Quando la luce solare colpisce, un lato del modulo assorbe la luce a onde corte. Contemporaneamente, la luce a onde lunghe attraversa lo strato di vetro superiore e viene assorbita sul lato opposto. In questo modo, il modulo rilascia idrogeno sul lato inverso o catodico e ossigeno sul lato superiore, quello anodico.

Gli scienziati e le scienziate di Fraunhofer hanno studiato e sviluppato, durante i tre anni di durata del progetto, materiali semiconduttori di alta purezza, applicati con procedure di rivestimento particolarmente delicate. Ciò consente di aumentare la resa di idrogeno del processo.

«Costruiamo strati nanometrici sulla fase gassosa del vetro. Le strutture risultanti hanno un grande impatto sull'attività del reattore, oltre alle proprietà intrinseche del materiale, che abbiamo anch'esse ottimizzato», spiega il dott. Arno Gönne, responsabile del gruppo di materiali funzionali per microsistemi ibridi presso l'Istituto Fraunhofer per tecnologie e sistemi ceramici IKTS. Gli elementi fotovoltaici collegati nel modulo forniscono al sistema una tensione supplementare: agisce come un turbo che accelera l'attività e aumenta ulteriormente l'efficienza.

Quadrato, pratico – sicuro

Il risultato è un reattore con una superficie attiva di mezzo metro quadrato. Separato dall'ossigeno, produce l'idrogeno, che può essere immediatamente raccolto e quantificato. Attualmente, un singolo modulo fornisce una potenza di oltre 30 chilogrammi di idrogeno all'anno su 100 metri quadrati di esposizione solare europea. Con questa resa, ad esempio, un'auto a idrogeno potrebbe percorrere tra 15.000 e 20.000 chilometri.

«Le dimensioni della cella tandem sono limitate dal fatto che il nostro modulo scinde direttamente l'acqua, ma per farlo deve anche far passare corrente da un lato all'altro. Con l'aumentare dell'area del modulo, le resistenze crescenti influenzano negativamente il sistema. Al momento, questa configurazione si è dimostrata ottimale. È stabile, robusta e molto più grande di tutte le soluzioni comparabili», sottolinea Gönne. Gli elementi compatti possono essere collegati senza effetti collaterali negativi, a seconda delle esigenze, da un singolo modulo a vaste aree – un vantaggio fondamentale della soluzione Fraunhofer.

Collegare competenze

Il progetto è anche un esempio riuscito di collaborazione tra diversi istituti e di combinazione di competenze complementari Fraunhofer: nell'ambito del progetto ora concluso, l'IKTS Fraunhofer ha studiato materiali e processi per lo strato fotoattivo. I colleghi dell'Istituto Fraunhofer per tecnologie e tecniche di rivestimento di strati e superfici IST hanno portato la loro esperienza nel rivestimento di superfici tramite deposizione fisica in fase vapore. La progettazione del reattore, la produzione economica e affidabile e la successiva valutazione dei moduli sono state affidate agli esperti del Centro Fraunhofer per il fotovoltaico in silicio CSP.

La stabilità e il funzionamento senza problemi del modulo e della sua connessione sono stati già dimostrati dai numerosi test sul campo condotti dai partner del progetto. Tuttavia, i team Fraunhofer, che hanno presentato con successo il loro reattore per la prima volta alla fiera Achema 2024 a Francoforte, stanno già pianificando i prossimi passi: da un lato, vogliono continuare la collaborazione tra istituti in un progetto successivo, dall'altro, intendono sviluppare ulteriormente la loro soluzione in collaborazione con aziende, in diverse direzioni – per una produzione e fornitura di idrogeno diretta, sicura ed efficiente a livello decentralizzato.