Le due vie del sole verso l'energia: comprendere la produzione di idrogeno solare e l'energia solare concentrata

Mentre la maggior parte delle persone pensa all'elettricità solare come tramite pannelli fotovoltaici che utilizzano la luce solare per produrre energia; ci sono molti altri modi in cui è possibile ottenere valore attraverso il sole oltre ai semplici pannelli fotovoltaici. Ad esempio, puoi utilizzare il sole per produrre idrogeno pulito e generare energia su scala industriale attraverso il calore. Ci sono un paio di nuove entusiasmanti tecnologie che stanno spingendo oltre i limiti dell’energia solare: l’idrogeno da fonti di energia solare e l’energia solare concentrata (CSP).

L’idrogeno è conosciuto come il “carburante di domani” per diverse ragioni. L'idrogeno ha circa 142 MJ/kg di contenuto energetico e, se si utilizza l'idrogeno in una cella a combustibile, le uniche emissioni prodotte sono quelle dell'acqua. Tuttavia, produrre grandi quantità di idrogeno in modo pulito rappresenta ancora una sfida importante per la produzione di idrogeno. Un modo per risolvere questo problema è utilizzare la luce solare per dividere l’acqua come mezzo di produzione di idrogeno, questo processo ha zero emissioni di gas serra.

Esistono tre tipi principali di produzione di idrogeno dall’energia solare che si trovano attualmente a diversi livelli di maturità:

La prima tecnologia (la più matura) utilizza pannelli fotovoltaici (PV) accoppiati ad elettrolizzatori. Gli elettrolizzatori sono dispositivi elettrici che prendono l'elettricità e convertono l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando il calore e il trasferimento di calore. I sistemi fotovoltaici sono quelli più sviluppati e facilmente disponibili; I sistemi fotovoltaici sono molto modulari e affidabili; quando il fotovoltaico e l'elettrolizzatore sono collegati senza dispositivi di conversione della potenza, l'efficienza di conversione STH dell'intero sistema si è avvicinata al limite teorico.

La ricerca mostra che i sistemi fotovoltaici concentrati superano significativamente quelli convenzionali. Utilizzando celle InGaP/GaAs/Ge a una concentrazione di 750 soli, gli scienziati hanno raggiunto efficienze STH del 18-21% con velocità di produzione di 0,8-1,0 litri di idrogeno al minuto per metro quadrato di area del modulo. I moduli convenzionali in silicio sotto lo stesso sole, in confronto, hanno raggiunto solo il 9,4% circa di efficienza STH con velocità di produzione di circa 0,3 L/min·m². Ciò rappresenta un vantaggio prestazionale da 1,5 a 3 volte per i sistemi concentrati.

L’elettrolisi dell’acqua ha un range di utilizzo effettivo compreso tra il 70 e l’80%, rendendo questa opzione più interessante se si considerano i futuri prezzi dell’elettricità da fonti rinnovabili. L’unica grande sfida in questo momento è il prezzo elevato degli elettrolizzatori e l’imprevedibilità della radiazione solare, che comporta la necessità di un’attenta integrazione nel sistema.

I sistemi fotoelettrochimici (PEC) utilizzano un approccio più integrato rispetto ai metodi precedenti per l’elettrolisi dell’acqua generando prima energia elettrica e quindi utilizzando tale energia per generare idrogeno dall’acqua. I PEC utilizzano materiali semiconduttori immersi nell'acqua, che sono in grado di assorbire la luce del sole e convertirla direttamente per immagazzinare energia chimicamente sotto forma di idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua. Ciò si verifica quando la luce colpisce il semiconduttore creando coppie di elettroni/lacune. Gli elettroni nel meccanismo del semiconduttore riducono i protoni per formare idrogeno; i buchi creati ossideranno le molecole d'acqua producendo ossigeno.

I PEC furono studiati per la prima volta circa 50 anni fa da Shinichiro Fujishima e Honda quando scoprirono che un elettrodo di biossido di titanio (TiO2) poteva dividere l'H2O in H2 e O2 se accoppiato con un catodo/lega di platino e illuminato con luce UV. (Questo è ciò che viene definito "effetto Honda-Fujishima")

Attualmente, i sistemi PEC hanno un design attraente e compatto con la capacità di ottenere la conversione diretta da energia solare-a-idrogeno attraverso un meccanismo semplice ed elegante. Nonostante queste caratteristiche progettuali positive, la tecnologia PEC è ancora in una fase relativamente iniziale e deve superare alcune sfide significative prima che possa avvenire la commercializzazione, come la bassa efficienza nella conversione da solare-a-idrogeno, il degrado dei materiali utilizzati per creare celle PEC e la scalabilità delle prestazioni. Pertanto, è in corso una ricerca su materiali avanzati e fotoelettrodi nanostrutturati progettati per affrontare questi problemi.

Uno dei modi più creativi per farlo è utilizzare materiali semiconduttori su scala nanometrica (chiamati anche punti quantici) dispersi in un mezzo acquoso come fotocatalizzatori. Quando vengono illuminati con la luce solare, producono elettroni (e lacune) che possono migrare verso l'interfaccia della particella e avviare le rispettive semireazioni di ossidazione e riduzione denominate rispettivamente evoluzione di idrogeno ed evoluzione di ossigeno.

Il sistema fotocatalizzatore a particella singola, o sistema di eccitazione a una-fase, richiede che la banda proibita del semiconduttore sia a cavallo tra il potenziale di sviluppo dell'idrogeno e il potenziale di sviluppo dell'ossigeno. Esiste anche un sistema fotocatalitico in due-parti o configurazione del fotocatalizzatore "Z-schema" in cui due diversi fotocatalizzatori sono legati insieme da un mediatore chimico (ovvero coppia redox) in modo che la scissione dell'acqua avvenga in due fasi distinte o semireazioni. Ciò riduce significativamente l'energia necessaria per ciascuna reazione, consentendo al tempo stesso di utilizzare una maggiore varietà di luce visibile.

Le scoperte recenti dimostrano il potenziale di questo approccio. Un gruppo di ricerca cinese guidato da Liu Gang presso l'Institute of Metal Research ha migliorato il biossido di titanio-il principale materiale fotocatalitico-aggiungendo scandio attraverso il "rimodellamento strutturale" e la "sostituzione degli elementi". Gli ioni di scandio si adattano perfettamente al reticolo del materiale, rimuovendo le “zone trappola” che normalmente catturano gli elettroni e rimodellando la superficie del cristallo per formare “autostrade elettroniche” che guidano i portatori di carica in modo efficiente.

Il materiale potenziato utilizza oltre il 30% della luce ultravioletta e raggiunge un tasso di produzione di idrogeno sotto la luce solare simulata 15 volte superiore rispetto alle versioni precedenti. Secondo il team di ricerca, un pannello fotocatalitico di un-quadrato-metro potrebbe produrre circa 10 litri di idrogeno al giorno sotto la luce del sole.

Anche se la fotocatalisi del particolato resta in laboratorio, il suo potenziale per un'implementazione su larga-scala è convincente. I fotocatalizzatori-in forma di polvere sono più semplici da gestire e più adatti alla diffusione su vaste aree utilizzando processi potenzialmente poco costosi rispetto all'elettrolisi PV-o ai sistemi PEC.

L’energia solare concentrata (CSP) adotta un approccio fondamentalmente diverso per sfruttare il sole. Invece di convertire la luce direttamente in elettricità, il CSP utilizza specchi per concentrare la luce solare, generare calore ad alta-temperatura e quindi azionare turbine convenzionali per produrre elettricità.

Il concetto fondamentale è molto semplice. Gli eliostati, o sistemi di specchi, seguono il corso giornaliero del Sole e riflettono i raggi solari verso un collettore situato in cima a una torre. Questa concentrazione di luce solare viene utilizzata per riscaldare un fluido di lavoro a temperature molto elevate e, una volta prodotto il calore, il fluido di lavoro riscaldato viene utilizzato nella generazione di vapore che farà ruotare una turbina che aziona il generatore.

La capacità di incorporare l’accumulo di energia termica in un sistema CSP è ciò che rende il CSP di tale valore. Il calore prodotto dal processo di concentrazione dei raggi solari può essere catturato e immagazzinato per ore, il che significa che la generazione di elettricità dal sistema CSP può avvenire molto tempo dopo il tramonto. L'aspetto dispacciabile del CSP-ovvero, quando hai bisogno di elettricità puoi produrla-è ciò che distingue il CSP dai sistemi solari fotovoltaici, che cessano di produrre elettricità quando inizia a nuvolosi o di notte.

La tecnologia che si trova attualmente al vertice della piramide (Gemasolar in Spagna, Crescent Dunes in Nevada e Noor III) prevede che il sale liquido fuso venga utilizzato non solo per trasferire calore, ma anche per immagazzinare energia. Tutti e tre i sistemi hanno dimostrato con successo la capacità di funzionare ininterrottamente per 24 ore intere mantenendo più di 15 ore di accumulo di energia con i soli sali liquidi fusi.

Il programma Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti farà avanzare questa tecnologia oltre i sistemi CSP di livello commerciale esistenti. Uno degli approcci progettuali esplorati nell'ambito del programma CSP Gen3 è il sistema "Liquid Pathway", che utilizza cloruri liquidi a costo relativamente basso-come accumulatore di energia e un ricevitore di sodio liquido a circa 740°C per trasferire il calore al ciclo di alimentazione dell'anidride carbonica supercritica (sCO2). L'intero ciclo di alimentazione sCO2 funzionerà con un'efficienza più elevata rispetto ai tradizionali cicli a vapore di tipo Rankine.

Ciò rappresenta un progresso significativo rispetto agli impianti attuali, che tipicamente operano a circa 565 gradi utilizzando sali nitrati. Temperature operative più elevate consentono una maggiore efficienza e riducono il costo livellato dell'energia-l'obiettivo Gen3 è inferiore a $ 60 per megawatt-ora.

Un sistema a sale fuso a due-serbatoi consente agli operatori di far circolare il sale attraverso ricevitori solari per caricarsi (riscaldando il serbatoio "caldo"), quindi attraverso scambiatori di calore per generare vapore quando è necessario scaricarlo. L'efficienza termica dello stoccaggio stesso è elevata-lo stoccaggio del calore in serbatoi isolati supera il 90% dell'efficienza per i cicli giornalieri.

L'efficienza di andata e ritorno per lo stoccaggio dell'elettricità, tuttavia, deve affrontare una limitazione fondamentale. La conversione del calore in elettricità tramite turbine a vapore in genere raggiunge solo il 35-42% di efficienza termica. Anche le turbine a CO2 supercritiche avanzate faticano a superare il 50%. Per fare un confronto, le batterie agli ioni di litio-normalmente superano l'85% di efficienza di andata e ritorno.

Questa penalizzazione in termini di efficienza fa sì che il CSP sia più adatto per le applicazioni in cui il valore dello storage termico-lunga durata, il basso costo per kilowatt-ora di storage e la capacità di fornire generazione sincrona-superano le perdite di conversione. Per uno storage su scala-grid della durata di 6-12 ore, i costi possono comunque funzionare.

Lo sviluppo di fonti di energia rinnovabili per generare elettricità, il contributo di CSP alla decarbonizzazione dei processi industriali e la creazione di accumulo termico hanno consentito ai CSP di fornire servizi oltre la semplice elettricità. Molti processi industriali richiedono forniture continue e su richiesta di vapore o calore diretto entro un intervallo di temperature compreso tra 300 e 550 gradi Celsius, inclusi processi come la produzione di carta, la raffinazione del petrolio e la lavorazione chimica.

Utilizzando sistemi di accumulo di energia termica a sali fusi su larga scala-, i CSP possono raggiungere questo obiettivo fornendo vapore di processo e/o aria surriscaldata per applicazioni industriali come richiesto in tempo-reale. Le grandi capacità di questi sistemi di accumulo di energia termica a sale fuso-offrono anche un'alternativa molto conveniente-alle batterie elettrochimiche, con un costo inferiore a 35 dollari per kilowatt-ora (kWh) di accumulo di energia termica utilizzabile.

Esistono metodi complementari per sfruttare l'energia solare, compresa la produzione di idrogeno solare e l'energia solare concentrata (CSP). L'energia del sole viene convertita in combustibile chimico (idrogeno) tramite elettrolisi fotovoltaica (PV) e sistemi fotocatalitici che possono essere immagazzinati a tempo indeterminato. L’idrogeno può essere utilizzato per i trasporti, l’industria e la produzione di elettricità. In alternativa, CSP utilizza la luce solare per generare calore. CSP converte quindi l’energia termica in elettricità per la consegna dispacciabile (ordinata).

Si stanno verificando rapidi progressi in entrambe le tecnologie. L'aumento dell'efficienza nella conversione da energia solare-a-idrogeno deriva dal miglioramento dei materiali e dell'integrazione dei sistemi; CSP continua a spingere per temperature operative più elevate e costi inferiori. Se combinati, l'elettrolisi fotovoltaica e il CSP danno vita a un mondo alimentato dall'energia solare-in cui non solo il sole fornisce energia dove richiesto, ma produce anche una forma di combustibile facilmente-immagazzinabile per fornire energia nei periodi non-di punta dell'intera giornata.

La Terra riceve una massiccia fornitura di energia dal sole. Ciò equivale all'incirca a 173 trilioni di watt (1 trilione di=1.000.000.000.000) che colpiscono la terra ogni secondo. Le sfide e le opportunità per gli ingegneri includono la ricerca di modi per utilizzare più modalità per catturare questa vasta fornitura di energia dal sole.