Fonti energetiche pulite come l’eolico e il solare producono grandi quantità di energia elettrica ma dipendono dai capricci della natura, in quanto il vento e il Sole non consentono una produzione costante.
Anche altre fonti, come le centrali atomiche possono produrre grandi quantità di elettricità in modo molto efficiente ma questa produzione non può essere regolata in base alle esigenze.
I ricercatori da decenni tentano di trovare una soluzione a un problema: come immagazzinare l’energia prodotta in eccesso per poi immetterla in rete quando essa si rende necessaria?
La risposta a questa domanda arriva dai ricercatori dell’Idaho National Laboratory che hanno sviluppato un nuovo materiale da utilizzare per realizzare gli elettrodi delle celle elettrochimiche capaci di convertire efficacemente l’elettricità in eccesso trasformando l’acqua in idrogeno. All’aumentare del fabbisogno di elettricità , la reversibilità della cella elettrochimica consente di utilizzare l’idrogeno prodotto per generare energia da immettere in rete.
Inoltre, l’eventuale eccesso di idrogeno potrebbe essere utilizzato come carburante per veicoli o per altre applicazioni, tale elemento avrebbe come sottoprodotto della combustione la comune acqua. I risultati di questo lavoro sono apparsi online questa settimana sulla rivista Nature Communications.
L’idrogeno come mezzo di accumulo di energia
Come ha recentemente affermato Dong Ding, il potenziale dell’idrogeno è conosciuto da tempo come mezzo di accumulo di energia. Ding è un ingegnere / scienziato del personale senior e leader del gruppo di trattamento chimico presso l’INL.
Ding ha affermato che “la grande sfida dell’accumulo di energia, con le sue diverse esigenze di ricerca e sviluppo, ha creato maggiori opportunità per l’idrogeno. Stiamo prendendo di mira l’idrogeno come intermediario energetico per immagazzinare energia in modo efficiente“.
Ding e i suoi colleghi hanno migliorato un tipo di cella elettrochimica chiamata cella elettrochimica in ceramica protonica (PCEC), che utilizza l’elettricità per dividere il vapore acqueo nei suoi costituenti, idrogeno e ossigeno. Tuttavia, in passato, questi dispositivi presentavano limitazioni, in particolare il loro funzionamento avveniva a temperature fino a 800 gradi C. Le alte temperature richiedono materiali costosi e comportano inoltre un degrado più rapido, rendendo proibitivo il costo delle celle elettrochimiche.
Ding e colleghi hanno risolto il problema del degrado grazie a un nuovo materiale per l’elettrodo che genera l’ ossigeno, il conduttore che facilita simultaneamente le reazioni di scissione dell’acqua e riduzione dell’ossigeno. A differenza della maggior parte delle celle elettrochimiche, questo nuovo materiale, un ossido di un composto chiamato perovskite, permette la conversione dell’idrogeno e dell’ossigeno in elettricità senza idrogeno aggiuntivo.
In precedenza, Ding e i suoi colleghi avevano sviluppato un’architettura a maglia 3D per l’elettrodo che rendeva disponibile più superficie per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Insieme, le due tecnologie, l’elettrodo a rete 3D e il nuovo materiale dell’elettrodo, permettono un funzionamento auto-sostenibile e reversibile a temperature da 400 a 600 gradi C.
“Abbiamo dimostrato la fattibilità del funzionamento reversibile del PCEC a temperature così basse per convertire l’idrogeno generato in modalità idrolisi in elettricità , senza fornitura di idrogeno esterno, in un’operazione autosufficiente“, ha affermato Ding. “È un grande passo per l’elettrolisi ad alta temperatura“.
Mentre i vecchi elettrodi dell’ossigeno conducevano solo elettroni e ioni di ossigeno, la nuova perovskite è a “tripla conduzione“, nel senso che conduce elettroni, ioni ossigeno e protoni. In termini pratici, con un elettrodo a tripla conduzione la reazione avviene più velocemente e in modo più efficiente, quindi la temperatura operativa può essere ridotta mantenendo allo stesso tempo buone prestazioni.
Per Ding e i suoi colleghi, il trucco era capire come aggiungere l’elemento al materiale dell’elettrodo alla perovskite che gli conferisse le proprietà a tripla conduzione, un processo chiamato doping. “Abbiamo dimostrato con successo un’efficace strategia antidoping per sviluppare un buon ossido a tripla conduzione, che consente buone prestazioni delle celle a temperature ridotte“, ha affermato Hanping Ding, scienziato e ingegnere dei materiali del gruppo di elaborazione chimica dell’Idaho National Laboratory.
In futuro, Dong Ding e i suoi colleghi sperano di continuare a migliorare la cella elettrochimica combinando l’innovazione dei materiali con i processi di produzione all’avanguardia in modo che la tecnologia possa essere utilizzata su scala industriale.
La ricerca è stata pubblicata su phys.org.
