L’idrogeno prodotto sfruttando l’energia solare potrebbe presto sostituire in larga parte i combustibili fossili, contribuendo in modo significativo alla riduzione delle emissioni di carbonio. Un passo importante in questa direzione è stato compiuto dal progetto di ricerca congiunto Neo-PEC, che ha visto la collaborazione di alcuni specialisti del Fraunhofer per la realizzazione di un modulo tandem autosufficiente e affidabile per la produzione di idrogeno verde direttamente dal sole.
Un’alternativa promettente all’elettrolisi tradizionale
L’idrogeno rappresenta un elemento chiave per la decarbonizzazione dei processi industriali. Tuttavia, per poter essere considerato un combustibile davvero ecocompatibile, la sua produzione deve avvenire senza generare emissioni di CO2. L’elettrolisi, il processo che utilizza l’elettricità per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno, rappresenta una tecnica classica per ottenerlo. Se l’elettricità impiegata proviene da fonti rinnovabili come l’energia solare, si ottiene il cosiddetto idrogeno verde. Tuttavia, gli elettrolizzatori necessari per questo processo sono spesso sistemi ingombranti e complessi, oltre che costosi e ad alta manutenzione.
Sfruttare al massimo l’energia solare
Un’alternativa promettente all’elettrolisi tradizionale è rappresentata dalla generazione diretta di idrogeno dall’energia solare tramite celle fotoelettrochimiche (PEC). Il progetto di ricerca Neo-PEC ha riunito ricercatori di tre istituti Fraunhofer con l’obiettivo di sviluppare una soluzione modulare per la produzione di idrogeno altamente flessibile e alimentata direttamente dall’energia solare.
Il cuore di questa innovazione Fraunhofer è un modulo PEC tandem. A differenza dei moduli fotovoltaici tradizionali, questo dispositivo non genera elettricità da utilizzare successivamente per l’elettrolisi, ma produce direttamente idrogeno sfruttando l’energia solare. Il processo si svolge all’interno di un’unica unità, con l’idrogeno generato sul lato posteriore (catodico) e l’ossigeno su quello anteriore (anodico).
Materiali semiconduttori ad alta efficienza
Nel corso del progetto triennale, i ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato e ottimizzato materiali semiconduttori ad alta purezza da utilizzare per la produzione delle celle tandem. Questi materiali vengono depositati su vetro float o lastre di vetro standard mediante tecniche di rivestimento ultra-delicate. “Utilizziamo la deposizione in fase vapore per creare strati di pochi nanometri di spessore sul vetro“, spiega il Dr. Arno Görne, responsabile del gruppo di materiali funzionali per microsistemi ibridi presso l’Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS. “Le strutture ottenute hanno un impatto significativo sull’attività del reattore e sulle proprietà del materiale stesso, che abbiamo ulteriormente ottimizzato“.
Un reattore compatto e scalabile
Il risultato del progetto è un reattore con una superficie attiva di mezzo metro quadrato. Separando l’idrogeno dall’ossigeno, questo modulo è in grado di generare direttamente l’idrogeno, che può essere facilmente raccolto e quantificato. Un singolo modulo esposto alla luce solare in condizioni europee può generare oltre 30 chilogrammi di idrogeno all’anno su un’area di 100 metri quadrati, una quantità sufficiente ad alimentare un’auto a idrogeno per percorrere tra 15.000 e 20.000 chilometri.
Le dimensioni del modulo tandem sono limitate dalla necessità di dividere l’acqua direttamente e di far fluire l’elettricità da un lato all’altro. Tuttavia, il formato attuale rappresenta una soluzione ottimale, stabile, robusta e significativamente più grande di qualsiasi alternativa comparabile. I moduli compatti possono essere collegati tra loro senza penalizzare le prestazioni, permettendo di realizzare impianti di grandi dimensioni.
