I fan dell’idrogeno verde hanno un altro motivo per rallegrarsi, sotto forma di nuove batterie protoniche che immagazzinano elettricità in elettrodi di carbonio idrogenato. Un gruppo di ricerca della RMIT University australiana ha messo a punto la tecnologia delle batterie protoniche negli ultimi cinque anni in collaborazione con un fornitore automobilistico leader a livello mondiale. Hanno un’altra svolta da segnalare e le nuove batterie EV potrebbero essere nel mix.
Cosa sono le batterie protoniche?
La ricerca RMIT ha attirato l’attenzione del World Economic Forum nel 2018, che si è entusiasmato per il potenziale delle batterie al protone di superare la tecnologia agli ioni di litio.
“La batteria protonica RMIT può essere collegata a una porta di ricarica proprio come qualsiasi altra batteria ricaricabile. Quello che succede dopo è straordinariamente semplice: l’elettricità dell’alimentatore divide le molecole d’acqua, generando protoni, che si legano al carbonio nell’elettrodo della batteria”, ha osservato con entusiasmo il WEF.
La scissione dell’acqua poteva sembrare notevole cinque anni fa, quando il mercato globale dell’idrogeno verde era solo un luccichio negli occhi di qualcuno, ma da allora le cose sono cambiate.
L’idrogeno verde viene prodotto dall’acqua attraverso l’elettrolisi, che distribuisce elettricità da risorse rinnovabili per “scindere” l’acqua. L’energia eolica e quella solare sono entrambe diminuite di costo dal 2018, così come il costo dei sistemi di elettrolisi, il che spiega perché l’idrogeno verde ha ricevuto maggiore attenzione da parte degli investitori negli anni a partire dal 2018.
La connessione tra batterie a idrogeno e protoni è piuttosto semplice. Un atomo di idrogeno è formato da un protone caricato positivamente e da un elettrone caricato negativamente. Se l’atomo di idrogeno riesce in qualche modo a perdere il suo elettrone, viene lasciato vagare per l’universo come un protone.
Come descritto da RMIT, immagazzinare idrogeno in un elettrodo di carbonio idrogenato è un risparmio energetico, rispetto alla produzione di gas idrogeno verde. L’alternativa sarebbe immagazzinare l’idrogeno ad alta pressione per utilizzarlo in una cella a combustibile a idrogeno.
Batterie protoniche e celle a combustibile
In parole povere, i sistemi di elettrolisi sono l’opposto delle celle a combustibile, quindi non è una sorpresa scoprire che le batterie a protoni si scaricano attraverso le celle a combustibile, ma senza la fase di accumulo di energia coinvolta nelle celle a combustibile a idrogeno.
Come spiegato dal ricercatore capo del team RMIT, il professor John Andrews, durante il ciclo di scarica le batterie protoniche rilasciano i loro protoni dall’elettrodo di carbonio. Passano attraverso una membrana per incontrare l’ossigeno dall’aria ambiente. La reazione produce sia acqua che energia.
“La nostra batteria protonica ha perdite molto inferiori rispetto ai sistemi a idrogeno convenzionali, rendendola direttamente paragonabile alle batterie agli ioni di litio in termini di efficienza energetica”, aggiunge Andrews (vedere più copertura della batteria protonica da Clean Technica Qui).
Le batterie protoniche stanno arrivando sui veicoli elettrici, alla fine
Il team RMIT collabora al progetto di ricerca sulle batterie protoniche con il principale fornitore italiano di componenti per auto Eldor Group dal 2018 e la collaborazione è stata estesa per altri due anni.
Eldor è meglio conosciuto per il suo lavoro sul lato convenzionale dell’industria automobilistica, ma è sulla scia dell’elettrificazione e della decarbonizzazione, oltre a mantenere l’attenzione sul miglioramento dell’efficienza dei veicoli ICE.
Se Eldor punta sulle batterie ai protoni per alimentare l’EV del futuro, potrebbe dover aspettare a lungo. Finora, la collaborazione con RMIT ha prodotto una batteria protonica che può “alimentare diversi piccoli ventilatori e una luce per diversi minuti”.
Non sembra molto, ma il guadagno potrebbe essere enorme in termini di minori costi della batteria dei veicoli elettrici e uso sostenibile delle risorse naturali, rispetto alle tradizionali batterie dei veicoli elettrici agli ioni di litio. Dopotutto, il carbonio è praticamente ovunque, ma il litio no.
In un aggiornamento del progetto del 27 luglio, RMIT ha notato che la capacità di stoccaggio del loro nuovo prototipo pesa al 2,2% in peso di idrogeno (il% in peso si riferisce alla misurazione dello stoccaggio di idrogeno in un materiale). Era quasi il triplo della capacità del loro prototipo iniziale cinque anni fa.
Secondo RMIT, il nuovo prototipo ha superato anche altri sistemi di stoccaggio elettrochimico dell’idrogeno, arrivando a più del doppio della capacità riportata da altri.
I miglioramenti rispetto al prototipo del 2018 sono dettagliati nello studio “Enhancement of the performance of a proton battery”, pubblicato sul Journal of Power Sources lo scorso settembre. Tra le altre modifiche, il team ha sviluppato una modalità alternativa di scarica delle batterie protoniche per consentire la generazione diretta di idrogeno gassoso.
“La nostra batteria ha una massa di energia per unità già paragonabile alle batterie agli ioni di litio disponibili in commercio, pur essendo molto più sicura e migliore per il pianeta in termini di estrazione di meno risorse dal terreno”, sottolinea Andrews, prendendo nota di la capacità di ricarica rapida della batteria.
Se tutto va secondo i piani, i prossimi passi riguarderanno il passaggio da watt a kilowatt e infine a megawatt. La collaborazione mira a una gamma di applicazioni, tra cui i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia su larga scala.
Spingendo verso il basso il costo dell’idrogeno verde
Se tutto questo sta iniziando a suonare un campanello o due, potresti pensare a un nuovo progetto di batteria allo zinco dell’Oregon State University. La batteria allo zinco OSU integra un sistema di generazione di idrogeno come mezzo per eliminare una reazione parassita nelle batterie allo zinco convenzionali e farne buon uso.
Un altro esempio di tecnologia batteria più idrogeno al lavoro è una batteria a flusso di idrogeno-ferro in fase di sviluppo da parte dell’azienda Proton Energy Systems. La società ha ricevuto assistenza dal 2010 al 2020 da ARPA-E, l’ufficio di finanziamento all’avanguardia del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
«Questo dispositivo a duplice scopo può essere ricaricato utilizzando l’elettricità di rete rinnovabile e immagazzinare l’idrogeno o funzionare al contrario, come una batteria a cella di flusso, quando è necessaria l’elettricità», spiega ARPA-E.
A partire dall’ultimo aggiornamento nel 2020, ARPA-E ha anticipato che il team di Proton Energy Systems avrebbe sviluppato catalizzatori a basso costo ma altamente efficienti per raggiungere l’80% di efficienza o più. “Funzionando con efficienze molto più elevate rispetto agli elettrolizzatori tradizionali, questa tecnologia potrebbe offrire molteplici flussi di valore, consentendo così l’adozione diffusa dello stoccaggio distribuito e del rifornimento di idrogeno”, ha osservato ARPA-E.
Se hai un aggiornamento su quel progetto, inviaci una nota nel thread dei commenti. Nel frattempo, ARPA-E è già alla prossima grande novità, una nuova membrana di ossido a conduzione protonica in fase di sviluppo presso la Columbia Engineering.
“La natura dirompente di questa tecnologia si basa sulla ricerca sui materiali per realizzare queste membrane di ossido Veramente sottili, da due a quattro ordini di grandezza più sottili delle membrane convenzionali, e quindi riducono la loro resistenza di circa un ordine di grandezza “, ha osservato la scuola l’anno scorso, quando il progetto ha ricevuto un finanziamento di 3,4 milioni di dollari da ARPA-E.
“Questi progressi porterebbero a un aumento radicale della densità di corrente e dell’efficienza complessiva nella generazione di idrogeno, rispetto agli odierni elettrolizzatori a membrana elettrolitica polimerica commerciali”, hanno aggiunto.
Una volta che la nuova membrana si è allenata in laboratorio, le società Forge Nano e Nel Hydrogen sono pronte a integrarla in un elettrolizzatore e ad aumentare rapidamente la tecnologia, quindi rimanete sintonizzati per ulteriori informazioni.
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Foto: le batterie protoniche hanno dimostrato di fornire energia a emissioni zero per piccoli ventilatori (per gentile concessione della RMIT University).
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