In futuro, l’idrogeno generato dall’energia solare potrebbe sostituire in gran parte i combustibili fossili, contribuendo a ridurre le emissioni di carbonio. Nel progetto di ricerca congiunto Neo-PEC, gli specialisti dell’Istituto Fraunhofer hanno sviluppato un’unità tandem autosufficiente e affidabile per la produzione di idrogeno verde generato dall’energia solare.
L’idrogeno è fondamentale per trasformare i processi industriali e ridurre l’impatto climatico. Tuttavia, il carburante brucia senza rilasciare anidride carbonica2 Dovrebbe anche essere prodotto con un’impronta di carbonio pari a zero.
Il processo classico è l’elettrolisi, in cui l’elettricità viene utilizzata per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Se l’elettricità necessaria per l’elettrolisi proviene da fonti rinnovabili come i pannelli solari, il risultato è l’idrogeno verde.
Lo svantaggio è che gli elettrolizzatori necessari per questo processo sono solitamente sistemi molto grandi e complessi. Anche queste apparecchiature costose e che richiedono molta manutenzione stanno diventando sempre più rare, soprattutto nel contesto attuale delle politiche climatiche globali.
Generazione solare di idrogeno
L’uso diretto dell’energia solare per separare l’acqua mediante una cella fotoelettrochimica (PEC) offre un’interessante alternativa. Nel progetto di ricerca congiunto di Neo-PEC, i ricercatori di tre istituti Fraunhofer si sono riuniti per sviluppare una soluzione modulare che consenta la generazione e la fornitura di idrogeno con energia solare con elevata flessibilità.
Il nucleo di questo sviluppo è l’unità tandem PEC. È simile al suo omologo fotovoltaico convenzionale, ma con un’importante differenza: l’elettricità non viene generata per la successiva elettrolisi altrove. L’intero processo viene eseguito in un’unica unità. È necessaria sempre cautela: poiché il processo produce idrogeno e ossigeno, la struttura deve essere progettata per mantenere una stretta separazione dei due elementi durante la generazione e oltre.
Produzione di unità tandem
Per produrre la cella tandem, gli esperti ricoprono il vetro float o standard disponibile in commercio con materiali semiconduttori su entrambi i lati. Quando la luce solare colpisce il vetro, un lato dell’unità assorbe la luce a onde corte. Nel frattempo, la luce a onde lunghe passa attraverso lo strato superiore di vetro e viene assorbita sul lato posteriore. L’unità rilascia idrogeno sul lato posteriore, o catodo, e ossigeno sul lato superiore, che è l’anodo.
Nel corso del progetto triennale, gli scienziati del Fraunhofer hanno ricercato e sviluppato materiali semiconduttori di elevata purezza, che hanno applicato utilizzando metodi di rivestimento ultra-lisci. Ciò consente loro di aumentare la resa di idrogeno di questo metodo.
Usiamo la fase vapore per creare strati spessi solo pochi nanometri sul vetro. Le strutture create in questo processo hanno un impatto significativo sull’attività del reattore, nonché sulle proprietà dei materiali reali, che abbiamo anche ottimizzato. Gli elementi fotovoltaici collegati nel modulo forniscono tensione aggiuntiva al sistema, un turbo che accelera l’attività aumentando l’efficienza.
Dr. Arno Jorn, direttore del gruppo Materiali funzionali per microsistemi ibridi presso l’Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS.
protezione
Il risultato è un reattore con una superficie attiva di mezzo metro quadrato. Separato dall’ossigeno genera idrogeno, che può essere catturato e quantificato direttamente. Attualmente, una singola unità esposta alla luce solare nelle condizioni europee può generare più di 30 kg di idrogeno all’anno su una superficie di 100 metri quadrati. Con queste prestazioni, un’auto a idrogeno può percorrere, ad esempio, tra i 15.000 e i 20.000 chilometri.
In termini di dimensioni delle celle tandem, siamo limitati dal fatto che la nostra unità divide direttamente l’acqua, ma per raggiungere questo obiettivo è necessario che l’elettricità passi da un lato all’altro. All’aumentare dell’area unitaria, l’aumento della resistenza ha un effetto negativo sul sistema. Alla luce della situazione attuale, la forma attuale si è rivelata ottimale. È stabile, robusta e molto più grande di qualsiasi soluzione simile. Gli elementi compatti possono essere collegati secondo necessità senza impatti negativi, da una singola unità a grandi superfici: un grande vantaggio della soluzione Fraunhofer.
Dottor Arno Jorn
Connetti l’esperienza
Il progetto, ormai concluso, rappresenta anche un riuscito esempio di collaborazione tra istituzioni e di connubio tra competenze complementari di Fraunhofer. Fraunhofer IKTS ha studiato i materiali e la lavorazione dello strato fotoattivo. I colleghi dell’Istituto Fraunhofer per l’ingegneria delle superfici e dei film sottili hanno contribuito con la loro esperienza nell’uso della deposizione fisica di vapore per coprire vaste aree. La progettazione del reattore, la produzione affidabile ed economica e la successiva valutazione dei moduli sono state affidate agli esperti del Centro Fraunhofer per il fotovoltaico al silicio (CSP).
I partner del progetto hanno già condotto numerosi test sul campo dimostrando un funzionamento stabile e regolare sia dell’unità che delle interconnessioni. Ma non è tutto per i team Fraunhofer, che a giugno hanno presentato il loro reattore alla fiera Ashima 2024 di Francoforte, dove hanno già da tempo iniziato a pianificare i prossimi passi. In primo luogo, intendono continuare la collaborazione di successo tra gli istituti in un progetto successivo e, in secondo luogo, intendono sviluppare ulteriormente le loro soluzioni in diverse direzioni in collaborazione con il settore privato, per la generazione decentralizzata diretta, sicura ed efficiente di idrogeno. Fornitura.
attraverso www.fraunhofer.de
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