Il MIT progetta un sistema molto efficiente per scindere l’acqua tramite l’energia solare

Gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology hanno progettato un sistema in grado di produrre in modo efficiente “idrogeno termochimico solare”. Sfrutta il calore del sole per dividere l’acqua e generare idrogeno, un carburante pulito che può alimentare camion, navi e aerei a lunga percorrenza, emettendo nel processo zero emissioni di gas serra.

In uno studio pubblicato su Solar Energy Journal, gli ingegneri delineano il design concettuale di un sistema in grado di produrre in modo efficiente “idrogeno termochimico solare”. Il sistema sfrutta il calore del sole per scindere direttamente l’acqua e generare idrogeno, un carburante pulito che può alimentare camion, navi e aerei a lunga percorrenza, senza emettere gas serra.

Attualmente, l’idrogeno è prodotto principalmente attraverso processi che coinvolgono gas naturale e altri combustibili fossili, rendendo il carburante altrimenti verde più simile a una fonte energetica “grigia” se considerato dall’inizio della produzione al suo utilizzo finale. Al contrario, l’idrogeno termochimico solare, o STCH, offre un’alternativa totalmente priva di emissioni, poiché si basa interamente sull’energia solare rinnovabile per guidare la produzione di idrogeno. Tuttavia, finora i progetti STCH esistenti hanno avuto un’efficienza limitata: solo circa il 7 percento della luce solare incidente viene utilizzato per produrre idrogeno. I risultati finora sono stati di basso rendimento e alto costo.

In un grande passo verso la realizzazione di carburanti prodotti dal sole, il team del MIT stima che il suo nuovo progetto potrebbe sfruttare fino al 40 percento del calore del sole per generare molto più idrogeno. L’aumento dell’efficienza potrebbe ridurre il costo complessivo del sistema, rendendo STCH una potenziale opzione scalabile e conveniente per contribuire alla decarbonizzazione dell’industria dei trasporti. Per fare una comparazione, la più efficace cella fotovoltaica multistrato è il grado di convertire in energia il 32% dell’energia solare. 

Similmente ad altri progetti proposti, il sistema MIT sarebbe abbinato a una fonte esistente di calore solare, come una centrale solare a concentrazione (CSP): un’area circolare di centinaia di specchi che raccolgono e riflettono la luce solare verso una torre di ricezione centrale. Un sistema STCH assorbirebbe quindi il calore della torre e lo indirizzerebbe per dividere l’acqua e produrre idrogeno. Questo processo è molto diverso dall’elettrolisi, che utilizza l’elettricità invece del calore per dividere l’acqua.

Al centro di un sistema STCH concettuale c’è una reazione termochimica a due fasi. Nella prima fase, l’acqua sotto forma di vapore viene esposta a un metallo. Questo fa sì che il metallo prelevi l’ossigeno dal vapore, lasciando l’idrogeno dietro. Questa “ossidazione” del metallo è simile alla ruggine del ferro in presenza di acqua, ma avviene molto più rapidamente. Una volta separato l’idrogeno, il metallo ossidato (o arrugginito) viene riscaldato sotto vuoto, che agisce per invertire il processo di ruggine e rigenerare il metallo. Con l’ossigeno rimosso, il metallo può essere raffreddato ed esposto nuovamente al vapore per produrre più idrogeno. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte.

L’autore principale dello studio, Ahmed Ghoniem, professore di Ingegneria Meccanica al MIT, ha dichiarato: “Stiamo considerando l’idrogeno come il carburante del futuro, e c’è la necessità di produrlo a buon mercato e su larga scala. Stiamo cercando di raggiungere l’obiettivo del Dipartimento dell’Energia, che è quello di produrre idrogeno verde entro il 2030 a 1 dollaro per chilogrammo. Per migliorare l’economia, dobbiamo migliorare l’efficienza e assicurarci che la maggior parte dell’energia solare che raccogliamo venga utilizzata nella produzione di idrogeno”.

Gli autori dello studio di Ghoniem sono Aniket Patankar, primo autore e ricercatore post-dottorato al MIT; Harry Tuller, professore al MIT di Scienza e Ingegneria dei Materiali; Xiao-Yu Wu dell’Università di Waterloo; e Wonjae Choi presso l’Università femminile di Ewha in Corea del Sud.

Il sistema del MIT è progettato per ottimizzare questo processo. L’intero sistema assomiglia a un treno di reattori a forma di scatola che corre su una pista circolare. In pratica, questa pista sarebbe impostata intorno a una fonte termica solare, come una torre CSP. Ogni reattore nel treno ospiterebbe il metallo che subisce il processo di ossidoriduzione, o ruggine reversibile.

Ogni reattore passerebbe prima attraverso una stazione calda, dove verrebbe esposto al calore del sole a temperature di oltre 1500 gradi Celsius. Questo calore estremo estrarrebbe efficacemente l’ossigeno da un reattore metallico. Quel metallo sarebbe quindi in uno stato “ridotto”, pronto a prelevare l’ossigeno dal vapore. Affinché ciò avvenga, il reattore verrebbe spostato in una stazione più fredda a temperature intorno a 1000 gradi Celsius, dove verrebbe esposto al vapore per produrre idrogeno.

Il “Treno” di reattori

Il problema della distribuzione del calore e della  de-ossidazione

Altri concetti simili di STCH hanno incontrato un ostacolo comune: cosa fare con il calore rilasciato dal reattore ridotto durante il raffreddamento. Senza recuperare e riutilizzare questo calore, l’efficienza del sistema è troppo bassa per essere pratica.

Un secondo problema riguarda la creazione di un vuoto energetico in cui il metallo può sgrassarsi. Alcuni prototipi generano un vuoto utilizzando pompe meccaniche, anche se le pompe sono troppo energivore e costose per la produzione di idrogeno su larga scala.

Per affrontare queste sfide, il design MIT incorpora diversi accorgimenti per il risparmio energetico. Per recuperare la maggior parte del calore che altrimenti fuoriuscirebbe dal sistema, i reattori su lati opposti della pista circolare possono scambiarsi il calore attraverso radiazione termica; i reattori caldi si raffreddano mentre i reattori freddi si riscaldano. Ciò mantiene il calore all’interno del sistema. I ricercatori hanno anche aggiunto un secondo set di reattori che circonderebbe il primo treno, muovendosi in direzione opposta. Questo treno esterno di reattori funzionerebbe a temperature generalmente più basse e sarebbe utilizzato per evacuare l’ossigeno dal treno interno più caldo, senza la necessità di pompe meccaniche che consumano energia.

Questi reattori esterni porterebbero un secondo tipo di metallo in grado di ossidarsi facilmente. Mentre circolano, i reattori esterni assorbirebbero l’ossigeno dai reattori interni, invertendo l’ossidazione del metallo originale in modo efficace, senza la necessità di pompe a vuoto che consumano energia. Entrambi i treni di reattori funzionerebbero in modo continuo e genererebbero flussi separati di idrogeno e ossigeno puri.

I ricercatori hanno effettuato simulazioni dettagliate del design concettuale e hanno scoperto che aumenterebbe significativamente l’efficienza della produzione di idrogeno termochimico solare, passando dal 7 percento, come hanno dimostrato i progetti precedenti, al 40 percento.gneria Meccanica al MIT e da SUSTech.