La fotoelettrolisi un metodo diretto per produrre idrogeno verde

SPECIALE IDROGENO. La fotoelettrolisi utilizza direttamente la luce incidente per attivare speciali elettrodi immersi in acqua e promuovere la scissione molecolare per produrre idrogeno.

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Argomenti trattati

Il ruolo dell’idrogeno nella transizione ecologica: la grande sfida

I colori dell’idrogeno

Produzione dell’idrogeno, in generale

Idrogeno dalla pirolisi

La plasmalisi per produrre idrogeno

Idrogeno dalla gassificazione delle biomasse

Idrogeno dall’elettrolisi

Idrogeno dalla fotoelettrolisi

   Introduzione

   Che cosa sono le celle fotoelettrolitiche?

   Perché è importante la tecnologia PEC?

   Come viene generato idrogeno con un sistema PEC

Monitoraggio della produzione di idrogeno in Europa e costi

La North Adriatic Hydrogen Valley

Dalla produzione allo stoccaggio e trasporto dell’idrogeno



Introduzione

Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili  e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.

Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata. 

E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile. 

La produzione attuale di idrogeno si basa su uno stretto numero di tecnologia: steam reforming del metano, reforming della nafta, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi, elettrolisi dell’acqua.

Si parla sempre più spesso di idrogeno verde  prodotto tramite l’elettrolisi dell’acqua alimentata da energie rinnovabili

Esiste un’altra tecnologia in grado di portare allo stesso risultato ma con meno passaggi. Parliamo della fotoelettrolisi, in cui celle simili a quelle fotovoltaiche utilizzano direttamente la luce incidente per attivare speciali elettrodi immersi in acqua e promuovere la medesima scissione molecolare.

Che cosa sono le celle fotoelettrolitiche?

Le celle fotoelettrochimiche (PEC) estraggono energia elettrica dalla luce, compresa la luce solare. 

Ogni cella è costituita da uno o due fotoelettrodi semiconduttori e da elettrodi metallici ausiliari immersi in un elettrolita. 

In aggiunta o al posto dell'energia elettrica, i PEC possono produrre combustibili utili in un processo come l'elettrolisi dell'acqua

Nei primi tentativi di utilizzare i PEC per la generazione solare di idrogeno (dai primi anni '70 in poi), l'efficienza di conversione era bassa (circa l'1%) a causa dell'ampio bandgap dei fotoelettrodi di ossido utilizzati e del conseguente disallineamento con lo spettro solare. L'efficienza delle celle solari è stata ampiamente aumentata utilizzando semiconduttori non ossidi con un intervallo di banda inferiore.

( a ) Diagramma del livello di energia di un fotoanodo semiconduttore di tipo n e di una cella fotoelettrochimica rigenerativa (PEC) a catodo metallico, in cortocircuito. ( b ) Diagramma del livello di energia di un fotocatodo semiconduttore di tipo p e PEC rigenerativo di anodo metallico, in cortocircuito. (Credit: ScienceDirect)

 

NOTA.  l'effetto fotoelettrico è un fenomeno quantistico che consiste nell'emissione di elettroni da una superficie metallica quando viene colpita da una radiazione elettromagnetica

Un approccio più recente e promettente è stata l'applicazione di fotosensibilizzatori a nanocristallini come il biossido di titanio testurizzato (TiO2), queste celle non hanno elevate efficienze ma promettono di essere più economiche e più adatte a raccogliere la luce solare a bassa intensità.

La conversione dell’energia solare su larga scale in aggiunta ad un impianto di elettrolisi è in competizione con il sistema PEC.

La fabbricazione delle celle fotovoltaiche è una tecnologia industriale matura. I PEC sono ancora, al contrario, principalmente prototipi di laboratorio con un'aspettativa di vita molto più breve, prodotti su piccola scala in pochi laboratori di ricerca.

Perché è importante la tecnologia PEC?

L'interesse principale dei PEC è che offrono un intimo contatto tra semiconduttore ed elettrolita e che questa giunzione può essere assemblata mediante semplice immersione e smontata per l'ispezione mediante semplice emersione dalla soluzione. 

I due requisiti più importanti per i fotoelettrodi semiconduttori in un PEC solare efficiente e stabile sono

(1) una buona corrispondenza del suo bandgap (la separazione energetica tra i bordi della banda di valenza e di conduzione) con lo spettro della radiazione incidente (solitamente lo spettro solare)

(2) processi redox ben adattati su entrambi gli elettrodi nel PEC. 

Come viene generato idrogeno con un sistema PEC

Le celle fotoelettrochimiche sono in fase di sviluppo ma stanno mostrando un grande potenziale nell'utilizzare una gamma più ampia dello spettro solare in modo efficiente. 

Nel sistema PEC, la generazione di idrogeno è il risultato della conversione integrata dell'energia solare e dell'elettrolisi dell'acqua in un'unica fotocellula. Questo processo è considerato un metodo ecologico, rinnovabile e a basso costo per la produzione di idrogeno.

Costruzione e meccanismo di generazione dell'idrogeno in una cella fotoelettrocatalitica (PEC). (Credit: ScienceDirect)

I componenti principali di una cella PEC comprendono elettrodi di lavoro e controelettrodi, uno o entrambi sono fotoattivi. Generalmente, soprattutto su scala di laboratorio, il sistema contiene anche un elettrodo di riferimento per osservare semireazioni nella cella. Questo sistema di elettrodi è immerso principalmente in un elettrolita acquoso (Na2SO4). Il reattore è trasparente alla luce o comprende una finestra ottica che consente all'irradiazione di raggiungere il fotoelettrodo.

Se si utilizza un semiconduttore di tipo n, gli elettroni vengono raccolti nel fotoanodo e successivamente trasportati al controelettrodo attraverso un circuito esterno. Gli elettroni fotogenerati vengono consumati per ridurre H+ in H2 al catodo, mentre le lacune partecipano all'ossidazione dell'acqua in O2 e produzione di H+ all'anodo. 

Viceversa, se si utilizza un semiconduttore di tipo p come elettrodo di lavoro, gli elettroni fotogenerati vengono utilizzati per ridurre H+ in H2 , mentre nel controelettrodo l'acqua viene ossidata in O2 e H+ . 

In sintesi, i semiconduttori di tipo n producono una fotocorrente anodica in cui le lacune vengono trasferite verso l'elettrolita, mentre i semiconduttori di tipo p generano una fotocorrente catodica trasmettendo elettroni verso l'elettrolita.

L'efficienza della produzione di idrogeno in un PEC è principalmente influenzata dal processo di trasferimento degli elettroni, dall'energia del bandgap e dalla struttura a bande dei semiconduttori

 

Riferimenti

BP, Statistical Review of World Energy. (2021).

Peakoil

Andreas Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016

Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)

RMI, Energia pulita 101: Idrogeno

ENEA,  I ‘colori’ dell’idrogeno nella transizione energetica

Hydrogen Europe,  Hydrogen - a carbon-free energy carrier and commodity, novembre 2021

Convington, New Definitions for Blue and Green Hydrogen: The European Commission’s Package on Hydrogen and Decarbonized Gas Markets

GlobalData, Hydrogen

Kompakt, Pyrolysis, ottobre 2022

Lee et al., Scenario-Based Techno-Economic Analysis of Steam Methane Reforming Process for Hydrogen Production, Appl. Sci. 2021, 11(13), 6021; https://doi.org/10.3390/app11136021

Energoclub, steam reforming

GICO Project

Sotacarbo, Idrogeno verde: elettrolisi ed elettrolizzatori

ScienceDirect, Photoelectrochemical Cell

 

 Idrogeno dall’elettrolisi Monitoraggio della produzione di idrogeno in Europa e costi



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