Le migliori combinazioni di elettrolizzatore/fotovoltaico sono state dimostrate in campi di prova
Tutto si basa sull’elettrolisi. Combinando dei moduli fotovoltaici con sistemi elettrolizzatori è possibile convertire l’elettricità eccedente in idrogeno e impiegarla in un momento successivo, quando la domanda inizia a superare l’offerta e non è più necessario impiegare batterie di riserva o convertitori CC-CC. L’idrogeno può essere utilizzato in diversi processi industriali e gli utenti ottengono un ciclo energetico a zero emissioni di carbonio, a partire dalla generazione fino allo stoccaggio e all’utilizzo. Il progetto PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) si è posto l’obiettivo di far progredire tale tecnologia esplorando varie combinazioni di elettrolizzatori e cellule fotovoltaiche. «Inizialmente, il piano era collaudare diversi materiali e in seguito selezionare il migliore per l’attuazione finale in un dimostratore. Tuttavia, abbiamo presto capito che approcci diversi forniscono benefici diversi. Invece di scartare varie opzioni e tenerne una soltanto, abbiamo dunque deciso di analizzare una serie di tecnologie», afferma Sonya Calnan, capogruppo per la tecnologia di trasformazione del fotovoltaico in combustibile presso il centro di ricerca Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) e coordinatrice del progetto.
Accoppiamento o integrazione?
Sul fronte dell’elettrolisi, il consorzio ha concentrato l’attenzione sia sull’accoppiamento diretto che sugli elettrolizzatori integrati con il fotovoltaico. L’accoppiamento diretto del fotovoltaico con elettrolizzatori non è un’idea nuova, ma il gruppo ha scoperto che esiste ancora margine per ottimizzarne l’ingegneria. Come spiega Calnan: «I nostri colleghi del centro di ricerca Forschungszentrum Jülich hanno sviluppato particolari pile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) con un carico e dei sistemi catalitici con gruppo platino ridotto, che ricevono acqua in entrata solo dal lato del catodo. Così facendo, riduciamo la complessità e abbassiamo il costo della nostra soluzione rispetto agli elettrolizzatori comuni». Gli elettrolizzatori integrati con il fotovoltaico, invece, sono stati scelti per colmare un divario esistente nella ricerca. Nessuno studio aveva mai dimostrato il loro funzionamento in esterno a lungo termine in dimensioni maggiori della scala di laboratorio. Sia l’HZB che l’Università di Uppsala hanno colmato tale divario, evitando l’impiego di metalli del gruppo platino per i catalizzatori e usando collaudate tecnologie fotovoltaiche per catturare l’energia solare. Sul fronte del fotovoltaico, il consorzio ha optato rispettivamente per celle fotovoltaiche a eterogiunzione in silicio e celle fotovoltaiche in seleniuro di rame indio gallio (CuInGaSe). I ricercatori hanno scelto le prime per la loro elevata efficienza nella conversione di energia solare in elettricità, per il basso coefficiente di temperatura, per la tensione a circuito aperto e per la loro intrinseca capacità bifacciale. Infine, la scelta è stata giustificata dai piani esistenti per la costruzione di uno o più grandi impianti manifatturieri in Europa. «Le celle fotovoltaiche in seleniuro di rame indio gallio (CuInGaSe), invece, sono state scelte poiché la banda proibita è facilmente regolabile. Siamo in grado di ottimizzare l’abbinamento della tensione delle celle fotovoltaiche ed elettrolitiche in base alle condizioni climatiche locali del sito operativo», aggiunge Calnan.
Campi di prova
Senza dubbio, i risultati più degni di nota del progetto sono le sue dimostrazioni in campi di prova. A Jülich, in Germania, i partner del progetto hanno creato un’area di 8,2 m² per la raccolta di energia solare. Essa è formata da moduli a eterogiunzione di silicio di grandi dimensioni e moduli in CulnGaSe connessi agli elettrolizzatori PEM distaccati. L’impianto ha generato una media di 42,9 g/h di idrogeno, con un’efficienza media di trasformazione di energia solare in idrogeno pari al 10 % nel corso di un mese di funzionamento continuato in area esterna. Una seconda dimostrazione condotta dal Consiglio nazionale delle ricerche a Catania, si è svolta su un’area di raccolta di 730 cm² impiegando moduli fotovoltaici a eterogiunzione di silicio in funzionamento bifacciale. «La bifaccialità rappresenta una soluzione innovativa per aumentare la resa nella produzione di idrogeno senza un aumento dei costi. Abbiamo potuto dimostrare un’efficienza del 13,5 % nella trasformazione da solare a idrogeno e un tasso di produzione di idrogeno pari a 307 mg/h a un livello di irradiazione solare di 1 000 W/m2 e a una temperatura ambientale di 25 °C: un aumento del 14 % rispetto al funzionamento monofacciale», spiegano Calnan e i suoi colleghi. La conclusione del progetto è prevista per dicembre 2020. Nel frattempo, il gruppo completerà l’assemblaggio finale dei dimostratori integrati e quantificherà i benefici delle proprie soluzioni. Nel lungo periodo, sperano che il progetto contribuisca alla generazione di nuove idee per l’impiego di sistemi di energia rinnovabile autonomi e a basso costo.
Parole chiave
PECSYS, elettrolizzatore, fotovoltaico, accoppiamento diretto, idrogeno, dimostratore, CuInGaSe
