L’utilizzo dell’energia solare per la produzione di idrogeno verde rappresenta un obiettivo chiave nel settore delle tecnologie per l’idrogeno. Tra i vari approcci, vi è l’uso delle celle fotoelettrochimiche (PEC), dispositivi che combinano l’assorbimento della luce solare con l’elettrocatalisi per scindere le molecole d’acqua e produrre idrogeno. Questa tecnologia promette numerosi vantaggi, ma ci sono ancora alcune sfide da affrontare per migliorarne l’efficienza e la stabilità. Per fortuna al Centro di Ricerca tedesco Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hanno scoperto un nuovo approccio che ha permesso di fare un importante passo avanti nell’aumentare l’efficienza delle celle PEC.
Celle fotoelettrochimiche, una tecnologia green ancora poco efficiente
Capaci di convertire l’energia solare direttamente in energia chimica e di produrre l’idrogeno attraverso l’elettrolisi dell’acqua, le celle fotoelettrochimiche sono una sorta di “foglia artificiale” perché a tratti è come se imitassero la fotosintesi delle piante.
In breve, il loro funzionamento consiste nel passaggio della luce attraverso un fotoanodo, che induce all’eccitazione degli elettroni. Questi, passando attraverso la banda di conduzione, lasciano dietro di sé delle lacune, le quali contribuiscono alla separazione delle molecole d’acqua. In questo modo gli elettroni viaggiano verso il controelettrodo, dove riducono i protoni per formare idrogeno gassoso, mentre le lacune generano ossigeno.
Le celle PEC sono a tutti gli effetti una tecnologia green, purtroppo non ancora del tutto efficiente. Riferisce Rinnovabili, attualmente le celle PEC più avanzate raggiungono un’efficienza di conversione dell’energia solare del 19%.
Come aumentare l’efficienza delle PEC
Per fortuna c’è modo di migliorare l’efficienza delle PEC, e lo dimostra l’ultima ricerca condotta da un team di ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), che ha appurato come l’aumento della pressione durante il funzionamento delle celle possa ridurre le perdite di efficienza. In effetti, una delle cause della loro inefficienza è la formazione di bolle durante il processo di scissione dell’acqua, che riduce la quantità di luce che raggiunge il fotoanodo, limitando così il contatto tra l’elettrolita e l’elettrodo.
In particolare, il team ha esaminato l’effetto della pressione sulla dimensione delle bolle e sul loro comportamento sugli elettrodi, dimostrando che, operando le celle PEC a una pressione di circa 8 bar, le perdite di energia possono essere dimezzate, portando a un aumento dell’efficienza complessiva del 5-10%.
A sua volta, il team dell’HZB ha sottoposto delle celle PEC a pressioni tra 1 e 10 bar, sviluppando anche un modello multifisico per simulare e ottimizzare i processi interni, dimostrando che la pressione ideale per queste celle è compresa tra 6 e 8 bar, dato che a pressioni superiori non si registrano ulteriori miglioramenti.
Questi risultati, insieme al modello multifisico sviluppato, potrebbero essere applicati anche ad altri sistemi, contribuendo così a incrementare l’efficienza non solo delle celle PEC, ma anche di altre tecnologie elettrochimiche e fotocatalitiche.
