Acqua più sole equivalgono a idrogeno verde, affermano i ricercatori del MIT

L’idrogeno è molto nelle notizie in questi giorni. Il governo degli Stati Uniti ha appena annunciato un’iniziativa da 7 miliardi di dollari progettata per accelerare l’accesso all’idrogeno pulito. I sostenitori affermano che possiamo dividere l’acqua nei suoi componenti – idrogeno e ossigeno – facendola attraversare da una forte corrente elettrica. Hanno ragione. Questo processo funziona, ma richiede enormi quantità di elettricità per produrre idrogeno in grandi quantità.

I sostenitori hanno fatto una faccia felice dicendo che possiamo semplicemente usare l’energia rinnovabile in eccesso per alimentare gli elettrolizzatori. Trascurano completamente il fatto che potrebbero esserci altri usi per quell’energia in eccesso, come immagazzinarla per un uso successivo. Ignorano anche che siamo solo al 10% circa del percorso verso la soddisfazione di tutto il fabbisogno energetico mondiale con le energie rinnovabili. Ci vorrà molto tempo prima che siano così abbondanti che le persone cercheranno nuovi usi per loro. Stanno arrivando i giorni dell’elettricità troppo economica per essere misurata, ma non sono ancora arrivati ​​e non arriveranno presto.

MIT e idrogeno

Credito: Notizie del MIT

I ricercatori del MIT affermano di avere una soluzione. Affermano di aver inventato un sistema di reattori simile a un treno che divide l’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando solo la luce solare. Il sistema sfrutta il calore del sole per dividere direttamente l’acqua e generare idrogeno, un combustibile pulito che può alimentare camion, navi e aerei a lunga percorrenza senza emettere emissioni di gas serra nel processo. I ricercatori lo chiamano “idrogeno termochimico solare” o STCH.

STCH offre un’alternativa totalmente priva di emissioni, poiché si basa interamente sull’energia solare rinnovabile per favorire la produzione di idrogeno. Ma finora, i progetti STCH esistenti sono stati afflitti da un’efficienza limitata. Solo circa il 7% della luce solare viene utilizzata per produrre idrogeno.

Il gruppo di ricerca del MIT afferma che il suo ultimo progetto potrebbe essere la svolta che stavano cercando. Utilizzando il loro nuovo treno di reattori, stimano che fino al 40% del calore del sole potrebbe essere sfruttato per generare idrogeno. Questo aumento di efficienza ridurrebbe il costo complessivo del sistema e renderebbe STCH un’opzione potenzialmente scalabile e conveniente per aiutare a decarbonizzare vari settori.

“Stiamo pensando all’idrogeno come al carburante del futuro, e c’è bisogno di generarlo a basso costo e su larga scala”, afferma l’autore principale dello studio, Ahmed Ghoniem, professore di ingegneria meccanica al MIT e leader di Ronald C. Crane. il gruppo di ricerca. “Stiamo cercando di raggiungere l’obiettivo del Dipartimento dell’Energia, ovvero produrre idrogeno verde entro il 2030, a 1 dollaro al chilogrammo. Per migliorare l’economia, dobbiamo migliorare l’efficienza e garantire che la maggior parte dell’energia solare che raccogliamo venga utilizzata nella produzione di idrogeno”.

L’idea è che il sistema verrebbe abbinato a una fonte esistente di calore solare, come un impianto solare concentrato che utilizza specchi per raccogliere e riflettere la luce solare verso una torre ricevente centrale. Un sistema STCH assorbe quindi il calore del ricevitore e lo dirige verso la scissione dell’acqua e la produzione di idrogeno. Questo processo è molto diverso dall’elettrolisi, che utilizza l’elettricità invece del calore per separare l’acqua.

Una reazione termochimica in due fasi

Al centro di un sistema STCH concettuale c’è una reazione termochimica in due fasi. Nella prima fase, l’acqua sotto forma di vapore viene esposta a un metallo. Ciò fa sì che il metallo assorba l’ossigeno dal vapore, lasciando dietro di sé l’idrogeno. Questa “ossidazione” del metallo è simile all’arrugginimento del ferro in presenza di acqua, ma avviene molto più velocemente. Una volta separato l’idrogeno, il metallo ossidato (o arrugginito) viene riscaldato sotto vuoto, il che agisce per invertire il processo di ruggine e rigenerare il metallo. Una volta rimosso l’ossigeno, il metallo può essere raffreddato ed esposto nuovamente al vapore per produrre più idrogeno. Il processo può essere ripetuto centinaia di volte.

I ricercatori del MIT affermano che il loro sistema, che assomiglia a un treno di reattori a forma di scatola che corre su un binario circolare, ottimizzerà il processo. In pratica, il tracciato verrebbe impostato attorno a una fonte solare termica, come una torre CSP. Ogni reattore passerebbe prima attraverso una stazione calda dove sarebbe esposto al calore del sole a temperature fino a 1.500 gradi Celsius. Questo calore estremo estrarrebbe effettivamente l’ossigeno dal metallo all’interno di ciascun reattore.

Il metallo si troverebbe quindi in uno stato “ridotto”, pronto a catturare l’ossigeno dal vapore. Affinché ciò accada, il reattore si sposterebbe in una stazione più fredda a temperature intorno ai 1.000 C, dove sarebbe esposto al vapore per produrre idrogeno. Altri concetti STCH simili si sono scontrati con un ostacolo significativo: cosa fare con il calore rilasciato dal reattore ridotto mentre viene raffreddato? Senza recuperare e riutilizzare questo calore, l’efficienza del sistema è troppo bassa per essere praticabile.

Una seconda sfida riguarda la creazione di un vuoto efficiente dal punto di vista energetico in cui il metallo possa rimuovere la ruggine. Alcuni prototipi generano il vuoto utilizzando pompe meccaniche, sebbene le pompe siano troppo energivore e costose per la produzione di idrogeno su larga scala.

Idrogeno pulito ed efficienza energetica

Il progetto del MIT incorpora diverse soluzioni alternative per il risparmio energetico. Innanzitutto, per recuperare la maggior parte del calore che altrimenti fuoriuscirebbe dal sistema, i reattori sui lati opposti del percorso circolare possono scambiare calore attraverso la radiazione termica: i reattori caldi vengono raffreddati mentre i reattori freddi vengono riscaldati, mantenendo il calore all’interno. il sistema.

In secondo luogo, hanno aggiunto un’altra serie di reattori che girano attorno al primo treno, muovendosi nella direzione opposta. Questo treno esterno di reattori funziona a temperature più fredde e viene utilizzato per evacuare l’ossigeno dal treno interno più caldo senza la necessità di pompe meccaniche assetate di energia. Entrambi i treni di reattori funzionano continuamente per generare flussi separati di idrogeno puro e ossigeno.

A questo punto è tutto teorico. Nelle simulazioni dettagliate del progetto concettuale, il team ha scoperto che aumenterebbe significativamente l’efficienza della produzione di idrogeno termochimico solare dal 7%, come hanno dimostrato progetti precedenti, al 40%.

“Dobbiamo pensare a ogni piccola parte di energia nel sistema e a come utilizzarla, per ridurre al minimo i costi”, afferma Ghoniem. “Con questo progetto, abbiamo scoperto che tutto può essere alimentato dal calore proveniente dal sole. È in grado di utilizzare il 40% del calore del sole per produrre idrogeno”.

“Se ciò potesse essere realizzato, potrebbe cambiare drasticamente il nostro futuro energetico consentendo la produzione di idrogeno, 24 ore su 24, 7 giorni su 7”, afferma Christopher Muhich, assistente professore di ingegneria chimica presso l’Arizona State University, che non è stato coinvolto nella ricerca. “La capacità di produrre idrogeno è il fulcro della produzione di combustibili liquidi dalla luce solare”.

Nel prossimo anno, i ricercatori costruiranno un prototipo del sistema e lo testeranno in un impianto di energia solare concentrata del DOE. Il Dipartimento dell’Energia sta attualmente finanziando il progetto. “Una volta completamente implementato, questo sistema sarebbe ospitato in un piccolo edificio nel mezzo di un campo solare”, spiega Patankar. “All’interno dell’edificio potrebbero esserci uno o più treni dotati ciascuno di circa 50 reattori. E pensiamo che questo potrebbe essere un sistema modulare, in cui è possibile aggiungere reattori a un nastro trasportatore, per aumentare la produzione di idrogeno”.

L’asporto

Un lettore abituale ha commentato una recente storia sull’idrogeno in questo modo: “L’idrogeno è NG sotto mentite spoglie. Un cavallo di Troia basato sui combustibili fossili, niente di più. Totale spreco di tempo e risorse.” Dobbiamo ammettere che molti di noi che si riuniscono attorno al CleanTechnica Ogni giorno il bar dei succhi di erbe crede la stessa cosa.

Ma questa storia ha un’atmosfera diversa. L’idrogeno pulito è necessario per decarbonizzare diverse industrie che contribuiscono in larga misura alle emissioni di carbonio a livello mondiale, in particolare la produzione dell’acciaio. L’idrogeno può anche essere utilizzato per produrre carburanti puliti che sostituiscano quelli da cui il mondo dipende oggi per alimentare i suoi dispositivi di trasporto.

Non c’è dubbio che la gestione e il trasporto dell’idrogeno presentino sfide significative. E ci sono ciarlatani come l’industria del gas metano che vogliono aggiungerne un po’ ai loro gasdotti in modo da poter fare affermazioni scandalosamente ridicole su come i loro prodotti che uccidono il clima siano dell’1 o 2% più puliti di quanto fossero in passato.

Un mondo decarbonizzato avrà bisogno di una fonte di idrogeno pulito a prezzi accessibili. Questa idea di alcune persone molto intelligenti del MIT potrebbe effettivamente portarci lì.