Ilaria Rosella Pagliaro Celle fotoelettrochimiche più efficienti con l'uso di pressioni elevate: una nuova ricerca dell'HZB rivela che operando a 8 bar si dimezzano le perdite e si aumenta l'efficienza energetica del 10%
©Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Sapevate che l’idrogeno, una delle fonti di energia più pulite, può essere prodotto utilizzando la luce solare? Le celle fotoelettrochimiche (PEC) sono dispositivi innovativi che sfruttano la luce solare per scindere l’acqua e produrre idrogeno. Ma come possiamo migliorare ulteriormente l’efficienza di queste celle? Un team di ricerca dell’HZB ha scoperto che operare le celle PEC a pressioni più elevate può dimezzare le perdite energetiche e incrementare l’efficienza fino al 10%.
Le celle fotoelettrochimiche, spesso definite come “foglie artificiali“, utilizzano fotoelettrodi inorganici per generare la tensione necessaria per la scissione elettrolitica dell’acqua tramite la luce solare, al posto del complesso Fotosistema II delle foglie naturali. Questo processo permette di produrre idrogeno in modo più efficiente sfruttando l’energia solare.
I dispositivi più performanti già raggiungono un’efficienza di conversione energetica fino al 19%. Tuttavia, a queste alte efficienze, le perdite dovute alla formazione di bolle d’aria diventano rilevanti. Le bolle infatti diffondono la luce, impedendo un’illuminazione ottimale dell’elettrodo, e possono bloccare il contatto tra l’elettrolita e la superficie dell’elettrodo, causando la disattivazione elettrochimica. Per minimizzare queste perdite, ridurre le dimensioni delle bolle operando a pressioni più elevate potrebbe essere una soluzione. Fino ad oggi, tutte le celle PEC hanno operato a pressione atmosferica (1 bar).
Come funziona
Un team dell’Istituto per i Combustibili Solari dell’HZB ha indagato sulla scissione dell’acqua a pressioni elevate in condizioni rilevanti per le celle PEC. Hanno pressurizzato celle a flusso PEC con gas a pressioni comprese tra 1 e 10 bar, registrando vari parametri durante l’elettrolisi. Hanno inoltre sviluppato un modello multifisico del processo PEC e lo hanno confrontato con i dati sperimentali ottenuti a pressioni normali e elevate.
L’analisi ha mostrato che incrementare la pressione operativa a 8 bar dimezza le perdite energetiche totali, portando a un aumento relativo dell’efficienza complessiva del 5-10%. Il dottor Feng Liang, primo autore dell’articolo pubblicato su Nature Communications, ha spiegato:
Le perdite ottiche dovute alla diffusione possono essere quasi completamente evitate a questa pressione. Abbiamo anche osservato una significativa riduzione del trasferimento di ossigeno all’elettrodo opposto.
Oltre questo livello di pressione, non si ottengono ulteriori vantaggi, quindi il team suggerisce un range ottimale di pressione operativa per gli elettrolizzatori PEC compreso tra 6 e 8 bar. Il professor Roel van de Krol, direttore dell’Istituto per i Combustibili Solari dell’HZB, ha dichiarato:
Questi risultati, e in particolare il modello multifisico, possono essere estesi ad altri sistemi e ci aiuteranno ad aumentare l’efficienza sia dei dispositivi elettrochimici che fotocatalitici.
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Fonte: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
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