Gli ingegneri del MIT mirano a produrre combustibile a idrogeno totalmente verde e privo di emissioni di carbonio con un nuovo sistema di reattori simile a un treno, guidato esclusivamente dal sole.
In uno studio apparso oggi su Giornale dell’energia solare, gli ingegneri delineano il progetto concettuale di un sistema in grado di produrre in modo efficiente “idrogeno termochimico solare”. Il sistema sfrutta il calore del sole per dividere direttamente l’acqua e generare idrogeno, un carburante pulito che può alimentare camion, navi e aerei a lunga percorrenza, senza emettere emissioni di gas serra.
Oggi, l’idrogeno è in gran parte prodotto attraverso processi che coinvolgono gas naturale e altri combustibili fossili, rendendo questo combustibile altrimenti verde più una fonte di energia “grigia” se considerato dall’inizio della sua produzione fino al suo utilizzo finale. Al contrario, l’idrogeno termochimico solare, o 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 hanno un’efficienza limitata: solo circa il 7% della luce solare in entrata viene utilizzata per produrre idrogeno. I risultati finora sono stati a basso rendimento e ad alto costo.
In un grande passo avanti verso la realizzazione di combustibili di origine solare, il team del MIT stima che il suo nuovo progetto potrebbe sfruttare fino al 40% del calore del sole per generare una quantità molto maggiore di idrogeno. L’aumento di efficienza potrebbe ridurre il costo complessivo del sistema, rendendo STCH un’opzione potenzialmente scalabile e conveniente per aiutare a decarbonizzare il settore dei trasporti.
“Stiamo pensando all’idrogeno come al carburante del futuro, e c’è la necessità di generarlo a basso costo e su larga scala”, afferma l’autore principale dello studio, Ahmed Ghoniem, professore di ingegneria meccanica Ronald C. Crane al MIT. “Stiamo cercando di raggiungere l’obiettivo del Dipartimento dell’Energia, che è quello di produrre idrogeno verde entro il 2030, a 1 dollaro al chilogrammo. Per migliorare l’economia, dobbiamo migliorare l’efficienza e assicurarci che la maggior parte dell’energia solare che raccogliamo venga utilizzata nella produzione di idrogeno.”
I coautori dello studio di Ghoniem sono Aniket Patankar, primo autore e postdoc del MIT; Harry Tuller, professore di scienza e ingegneria dei materiali del MIT; Xiao-Yu Wu dell’Università di Waterloo; e Wonjae Choi alla Ewha Womans University in Corea del Sud.
Stazioni solari
Similmente ad altri progetti proposti, il sistema del MIT verrebbe abbinato a una fonte esistente di calore solare, come un impianto solare concentrato (CSP), una serie circolare di centinaia di specchi che raccolgono e riflettono 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.
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. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte.
Il sistema MIT è progettato per ottimizzare questo processo. Il sistema nel suo insieme assomiglia a un treno di reattori a forma di scatola che corrono su un binario circolare. In pratica, questo tracciato verrebbe impostato attorno a una fonte solare termica, come una torre CSP. Ogni reattore del treno ospiterebbe il metallo che subisce il processo redox, o ruggine reversibile.
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 di un reattore. Quel 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.
Ruggine e rotaie
Altri concetti STCH simili si sono scontrati con un ostacolo comune: 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 dispendiose in termini energetici e costose per la produzione di idrogeno su larga scala.
Per affrontare queste sfide, il progetto del MIT incorpora diverse soluzioni alternative per il risparmio energetico. 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. Ciò mantiene il calore all’interno del sistema. I ricercatori hanno anche aggiunto una seconda serie di reattori che circolerebbero attorno al primo treno, muovendosi nella direzione opposta. Questo treno esterno di reattori funzionerebbe a temperature generalmente più fredde e verrebbe utilizzato per evacuare l’ossigeno dal treno interno più caldo, senza la necessità di pompe meccaniche che consumano energia.
Questi reattori esterni trasporterebbero un secondo tipo di metallo che può anche ossidarsi facilmente. Mentre girano intorno, i reattori esterni assorbirebbero ossigeno dai reattori interni, rimuovendo efficacemente la ruggine dal metallo originale, senza dover utilizzare pompe a vuoto ad alta intensità energetica. Entrambi i treni di reattori funzionerebbero ininterrottamente e genererebbero flussi separati di idrogeno puro e ossigeno.
I ricercatori hanno effettuato simulazioni dettagliate del progetto concettuale e hanno scoperto che aumenterebbe significativamente l’efficienza della produzione di idrogeno termochimico solare, dal 7%, come hanno dimostrato i 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. “E con questo progetto, abbiamo scoperto che tutto può essere alimentato dal calore proveniente dal sole. È in grado di utilizzare il 40% del calore solare per produrre idrogeno.”
Nel prossimo anno, il team costruirà un prototipo del sistema che intendono testare in impianti di energia solare concentrata presso i laboratori del Dipartimento di Energia, che attualmente sta 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 ciascuno con 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.”
Questo lavoro è stato supportato dai Centri per la ricerca e l’istruzione in ingegneria meccanica del MIT e SUSTech.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
