Produzione di idrogeno dall'acqua grazie all'energia solare: progetto e applicazioni

E' uno dei progetti maggiormente innovativi nel settore del fotovoltaico che ha visto un team di ricerca lavorare al processo di produzione di idrogeno dall'acqua attraverso l'utilizzo di cicli termochimici alimentati dalle radiazioni solari: premiata tra le "Eccellenze ENEA 2008", durante la prima edizione di "E2-Eccellenze ENEA", l'intuitiva scoperta è stata portata avanti nei laboratori dell'Unità di Ricerca e Sviluppo del Progetto Solare Termodinamico del Centro ENEA Casaccia.

Del team di realizzazione del progetto fanno parte: Pietro Tarquini, Giovanni Salvatore Sau, Vincenzo Barbarossa, Antonio Ceroli, Maurizio Diamanti, Giampaolo Caputo, Paolo Favuzza, Claudio Felici, Alberto Giaconia, Roberto Grena, Raffaele Liberatore, Michela Lanchi, Pierpaolo Prosini, Alfonso Pozio, Annarita Spadoni, Silvano Tosti.

Il processo di produzione di idrogeno attraverso lo sfruttamento dell'energia solare è stato realizzato tramite lo sfruttamento del ciclo termochimico zolfo-iodi portando avanti numerose applicazioni nella vita quotidiana e in modo particolare:

• la produzione del combustibile idrogeno attraverso l'irraggiamento solare;
• avvio del processo di desolforazione, sviluppato modificando il ciclo zolfo-iodio, con elevate potenzialità di recupero per la generazione di idrogeno e acido solforico concentrato.

Il progetto:

Il progetto si è basato sulla realizzazione della scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno tramite una sequenza di reazioni chimiche che producono e consumano ciclicamente gli stessi composti con calore ad una  temperatura  fino a 900°C. Questo processo è di particolare importanza nello sviluppo delle tecnologie solari, per le quali sono necessarie temperature di 3000°C per l'ottenimento della scissione termica dell'acqua.

Con questa intuitiva scoperta l'ENEA ha sperimentato il ciclo zolfo-iodio ed il ciclo basato sulle ferriti di manganese con alimentazione ad energia solare: il primo ciclo è costituito da tre reazioni che danno avvio alla scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno, unico reagente introdotto nel processo. I cicli termochimici sfruttano ossidi metallici per realizzare il processo di scissione dell'acqua prevedendo una fase gassosa reagente e delle fasi solide, per cui il ciclo è realizzabile con la sola movimentazione di fasi gassose.

Il pregio e il difetto:

Il maggiore difetto di questi cicli è l'elevata temperatura che può raggiungere i 1600°C e per questo gli studi dell'ENEA hanno pensato all'utilizzo di materiali costituiti da ferriti di manganese nanoparticellate e carbonato di sodio con reattività chimica a soli 750°gradi permettendo l'utilizzo di materiali per la realizzazione di impianti.

Le applicazioni dell'idrogeno

L'idrogeno presenta numerosi vantaggi e applicazioni nel settore del fotovoltaico grazie al fatto che può essere bruciato senza emissioni di anidride carbonica, monossido di carbonio, idrocarburi incombusti, polveri sottili e grazie alle fuel cell, o celle a combustibile, presenta elevate prestazioni nella produzione di energia elettrica senza emissioni inquinanti, riducendo sensibilmente l'impatto ambientale.

Attualmente l'idrogeno viene prodotto da combustibili fossili come gas naturale, petrolio e carbone, per uso industriale, ma può essere ottenuto anche da acqua e da fonti energetiche rinnovabili, diventando una fonte di elevata disponibilità, con zero emissioni. Per la generazione dell'idrogeno si utilizza l'elettrolisi, un processo alimentato da energia elettrica che deve comunque essere prodotta: il nuovo progetto porterebbe alla riduzione della produzione dell'energia elettrica da combustibili fossili per generare un combustibile di elevata disponibilità e ad impatto ambientale nullo.

L'idrogeno in realtà non è una fonte energetica primaria, anche se ottenuto con costi accettabili, un prezzo iniziale che potrebbe di gran lunga scendere con la sempre maggiore produzione di energia da fonti rinnovabili, tralasciando i combustibili fossili.

Al momento, dunque, è importante sperimentare ancora i processi di produzione di idrogeno dall'acqua e dall'energia sole, attraverso l'utilizzo di processi ibridi, alimentati dall'irraggiamento solare – fonte rinnovabile - e da un combustibile fossile, permettendo di staccare la fase del processo con temperatura fino agli 850°C, dalla tecnologia solare del ricevitore a torre, ancora in fase si sperimentazione, - già brevetto dell'ENEA - fornendo calore con forno convenzionale a metano o alimentato a biomassa.

Il video informativo: il processo dell'elettrolisi e la produzione dell'idrogeno con l'energia solare

Per ricapitolare e comprendere meglio il processo di produzione dell'idrogeno con cicli alimentati da energia solare, visualizza anche il video a cura dell'ENEA e il suo importante progetto premiato dalle "Eccellenze Enea 2008" in cui si spiega in modo dettaglio l'idea del progetto, le intuizioni del funzionamento, il meccanismo dell'elettrolisi utilizzato per la produzione dell'idrogeno attraverso dei meccanismi alimentati esclusivamente con l'irraggiamento solare. Inoltre, per farsi un'idea sul meccanismo dell'elettrolisi, visualizza anche il video seguente in cui si mostra l'avvio del processo elettrolitico tramite un particolare esperimento in cui una cella solare è stata legata ad un pannello da 12 volt:

Le altre applicazioni della produzione di idrogeno con l'energia solare

L'utilizzo di combustibili con alto contenuto di zolfo è in continuo aumento e l'anidride solforosa generata dalla combustione di composti solforati genera la necessità della realizzazione di impianti di abbattimento ad alto impatto ambientale durante la fase di smaltimento. Con la nuova tecnologia dell'ENEA i prodotti ottenuti dalla desolforazione saranno  idrogeno e acido solforico concentrato, permettendo di:

• ridurre le emissioni di gas inquinanti;
• produrre idrogeno puro, utilizzato come reagente chimico o vettore energetico.

Le risposte alla riduzione dell'impatto ambientale e all'indipendenza dalle fonti esauribili

E' chiaro che lo studio sulla produzione dell'idrogeno da energia solare sviluppa numerose applicazioni che contribuiscono alla tutela dell'ambiente rappresentando un'importante risposta al un nuovo modo di vedere lo sfruttamento delle risorse energetiche: i cicli termochimici, alimentati ad energia solare, per la produzione di idrogeno sfruttando la sola energia solare creano una soluzione di rilevanza mondiale nella problematica sempre più attuale dell'approvvigionamento energetico e la sua dipendenza da fonti fossili che per la maggior parte l'Italia importa.

Sfruttare le sole risorse rinnovabili presenti in Italia per la produzione di idrogeno quale combustibile diventa la soluzione ideale per aumentare l'autonomia italiana dai combustibili fossili, riducendo impatto ambientale e dipendenza energetica.

Lo studio sulla produzione di idrogeno è oggetto di interesse da parte dei maggiori centri di ricerca come il General Atomic e Sandia negli USA, il CEA in Francia, il CIEMAT in Spagna, il DLR in Germania, il JAEA in Giappone, il KAERI in Corea vedendo nella generazione dell'idrogeno con la sola energia solare un passo avanti nell'ottica ecosostenibile, importante progetto di investimento con numerosi vantaggi economici e ambientali.