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Feb 03, 2024

Suola

Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi significativi verso la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Tuttavia, la produzione di combustibili chimici, che attualmente rappresentano circa l'80% del

Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi significativi verso la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Tuttavia, la produzione di combustibili chimici, che attualmente costituiscono circa l’80% dell’energia che consumiamo (IEA, World Energy Balances, 2020), da energie rinnovabili è più impegnativa. Lo sviluppo di metodi di produzione verde di combustibili chimici, in cui l’energia rinnovabile è immagazzinata in legami chimici, come idrocarburi e idrogeno, è fondamentale come modo per tamponare le energie intermittenti (come quella eolica e solare), chiave per sostenere il sistema nazionale o internazionale trasporto di energia e utile per fornire energia a località remote o decentralizzate.

Per affrontare questa sfida, Sun-To-X è stato finanziato dal programma Orizzonte 2020 dell'Unione Europea ed è un consorzio di nove partner composto da organizzazioni di ricerca e tecnologia (RTO), industria e piccole e medie imprese (PMI). Il progetto è iniziato a settembre 2020 e si prevede che si concluderà a febbraio 2024.

Il progetto Sun-To-X mira a esplorare una nuova catena del valore per lo stoccaggio dell’energia chimica (Fig. 1). Come primo passo, l’energia solare viene utilizzata per produrre idrogeno dall’umidità ambientale o dalla pioggia, come materia prima per l’acqua. Questo idrogeno viene quindi fatto reagire attraverso un processo termochimico con un precursore riciclabile a base di ossido di silicio per formare HydroSil, un combustibile liquido privo di carbonio, non tossico e ad alta densità energetica, che può essere direttamente applicabile nei settori dei trasporti e dell’energia.

La molecola HydroSil è stabile per più di un anno, rendendola adatta allo stoccaggio a lungo termine di energia rinnovabile. Esploreremo quindi un altro utilizzo di HydroSil nella depolimerizzazione riduttiva dei rifiuti di plastica verso lo sviluppo di un’economia circolare. Per tutti i processi di questa catena del valore, il consorzio si è concentrato sull'uso di materiali abbondanti per ridurre al minimo l'impatto ambientale.

Il progetto si pone i seguenti principali obiettivi tecnici:

Questi obiettivi contribuiscono agli obiettivi dell’Unione Europea e di Mission Innovation per lo sviluppo economico e il miglioramento della sicurezza energetica attraverso la costruzione di un sistema energetico sostenibile.

L’idrogeno solare può essere prodotto da una varietà di tecnologie, inclusa la combinazione di pannelli fotovoltaici ed elettrolizzatori (PV-E), che sono già commercializzati su piccola scala. Tuttavia, le sfide legate ai costi di produzione dell’idrogeno solare hanno spinto allo sviluppo di tecnologie alternative, come gli approcci fotoelettrochimici. Le tecnologie fotoelettrochimiche combinano le funzionalità di assorbimento della luce e degli elettrodi in un unico componente: fotoelettrodo a semiconduttore. La realizzazione di questi sistemi più integrati potrebbe comportare un costo inferiore della futura produzione di idrogeno solare (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). I nostri obiettivi mirano allo sviluppo di un dispositivo con un’efficienza del 10% da solare a idrogeno.

La maggior parte della ricerca sulle tecnologie fotoelettrochimiche si è concentrata sull'uso dell'acqua liquida come materia prima idrica. L'uso dell'umidità ambientale come alternativa è un'opzione sempre più ricercata per espandere l'applicabilità geografica del dispositivo, per risolvere problemi tecnici come la formazione di bolle (che possono disperdere la luce e bloccare i siti catalitici) e la riflessione della luce dalla superficie dell'acqua. La differenza fondamentale tra l'utilizzo di una fonte d'acqua in fase liquida e gassosa è l'uso di fotoelettrodi porosi per consentire all'umidità di entrare nel dispositivo, mentre nel caso della fase liquida è possibile utilizzare un fotoelettrodo a film sottile. Inoltre, per la reazione in fase gassosa è richiesto l'uso di un elettrolita solido che assorbe acqua come Nafion, per portare l'umidità a contatto con il fotoelettrodo.

Idealmente, i fotoelettrodi dovrebbero essere posizionati in una cosiddetta configurazione tandem, dove il fotoanodo e il fotocatodo assorbono ciascuno una porzione diversa dello spettro solare (cioè luce blu e rossa), con la struttura del nostro dispositivo target mostrata in Fig. 2, per massimizzare l’efficienza dal solare all’idrogeno. Ciò è problematico quando si utilizza la configurazione in fase gassosa, poiché per trasferire la carica in modo efficace, il fotoelettrodo deve essere depositato su un supporto conduttore di carica. Nel caso dei fotoelettrodi piatti, è possibile utilizzare pannelli di vetro rivestiti con ossido di stagno drogato con fluoro (FTO), che sono sia conduttivi che trasparenti, consentendo alla luce di passare attraverso il secondo fotoelettrodo. Tuttavia, i supporti porosi e conduttori, o strati di diffusione del gas, sono tipicamente preparati da carbonio o metalli (come il titanio) che sono completamente opachi. Attualmente, le sfide nella scalabilità e nella stabilità dei sistemi fotoelettrochimici fanno sì che il livello di maturità tecnologica (TRL) di questi sistemi tandem sia attualmente tre (funzionale nell'allestimento di laboratorio). Nell'ambito del progetto, l'obiettivo è aumentare il TRL a cinque (dimostrazione in un ambiente rilevante).