Gli ingegneri del MIT mirano a produrre combustibile a idrogeno completamente verde e privo di emissioni di carbonio utilizzando un nuovo sistema di reattori simili a treni guidati solo dal sole.
In uno studio apparso oggi sulla rivista Solar Energy, gli ingegneri hanno sviluppato la progettazione 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 su lunghe distanze, senza emettere emissioni di gas serra.
Oggi, l’idrogeno viene prodotto in gran parte attraverso processi che coinvolgono gas naturale e altri combustibili fossili, rendendo i combustibili verdi più una fonte di energia “grigia” se visti dall’inizio della sua produzione fino al suo utilizzo finale. Al contrario, l’idrogeno termochimico solare, o STCH, offre un’alternativa completamente priva di emissioni, poiché si basa interamente sull’energia solare rinnovabile per favorire la produzione di idrogeno. Ma finora, gli attuali progetti STCH hanno un’efficienza limitata: solo circa il 7% della luce solare in entrata viene utilizzata per produrre idrogeno. I risultati finora sono stati bassa produttività e costi elevati.
In un passo importante verso la produzione di combustibile solare, il team del MIT stima che il suo nuovo design potrebbe sfruttare fino al 40% del calore del sole per generare altrettanto idrogeno. L’aumento dell’efficienza può ridurre il costo complessivo del sistema, rendendo STCH un’opzione scalabile e conveniente per aiutare a decarbonizzare il settore dei trasporti.
“Pensiamo all’idrogeno come al carburante del futuro, ed è necessario generarlo a basso costo e su larga scala”, afferma Ahmed Ghoneim, autore principale dello studio e 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 di utilizzare la maggior parte dell’energia solare che raccogliamo.” nella produzione di idrogeno”.
Coautori dello studio di Ghoneim sono Aniket Patankar, primo autore e ricercatore post-dottorato al MIT; Harry Tueller, professore di scienza e ingegneria dei materiali al MIT; Xiaoyu Wu dell’Università di Waterloo; e Wonjae Choi della Ewha Womans University in Corea del Sud.
Centrali solari
Similmente ad altri progetti proposti, il sistema del MIT verrebbe abbinato a una fonte esistente di calore solare, come una centrale solare a concentrazione (CSP), una serie circolare di centinaia di specchi che raccolgono e riflettono la luce solare verso una torre ricevente centrale. Il 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 del sistema concettuale STCH c’è una reazione termochimica in due fasi. Nella prima fase il metallo viene esposto all’acqua sotto forma di vapore. Ciò fa sì che il metallo riceva ossigeno dal vapore, lasciando dietro di sé l’idrogeno. Questa “ossidazione” del metallo è simile alla ruggine 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, invertendo il processo di arrugginimento e rigenerando il metallo. Dopo che l’ossigeno è stato rimosso, il metallo può essere raffreddato ed esposto nuovamente al vapore per produrre più idrogeno. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte.
Il sistema del MIT è progettato per migliorare 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 percorso verrebbe posizionato attorno a una fonte di calore solare, come una torre di energia solare concentrata. Ciascun reattore del treno conterrà metallo sottoposto a un processo reversibile di ossidoriduzione o ruggine.
Ogni reattore passerà prima attraverso un impianto caldo, dove sarà esposto al calore del sole a temperature fino a 1.500 gradi Celsius. Questo calore intenso estrarrebbe effettivamente l’ossigeno dal metallo del reattore. Questo metallo sarà quindi in uno stato “ridotto”, pronto per estrarre l’ossigeno dal vapore. Affinché ciò avvenga, il reattore verrà spostato in un impianto di raffreddamento a temperature di circa 1.000 gradi Celsius, dove sarà esposto al vapore per produrre idrogeno.
Ruggine e sbarre
Altri concetti simili a STCH hanno dovuto affrontare un ostacolo comune: cosa fare con il calore rilasciato dal reattore ridotto mentre si raffredda. Senza recuperare e riutilizzare questo calore, l’efficienza del sistema è troppo bassa per essere praticabile.
La seconda sfida riguarda la creazione di un vuoto efficiente dal punto di vista energetico in cui i metalli possano rimuovere la ruggine. Alcuni prototipi generano il vuoto utilizzando pompe meccaniche, sebbene le pompe siano ad alta intensità energetica e costose per produrre idrogeno su larga scala.
Per affrontare queste sfide, la progettazione del MIT comprende diverse soluzioni ad alta efficienza energetica. Per recuperare la maggior parte del calore che 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 orbiteranno attorno al primo treno, muovendosi nella direzione opposta. Questo treno esterno di reattori funzionerà a temperature generalmente più fredde e sarà utilizzato per evacuare l’ossigeno dal treno interno più caldo, senza la necessità di pompe meccaniche che consumano energia.
Questi reattori esterni trasporteranno un secondo tipo di metallo che può anche ossidarsi facilmente. Mentre ruotano, i reattori esterni assorbono ossigeno dai reattori interni, rimuovendo efficacemente la ruggine dal metallo originale, senza la necessità di utilizzare pompe a vuoto ad alta intensità energetica. Entrambi i treni di reattori funzioneranno ininterrottamente e genereranno flussi separati di idrogeno puro e ossigeno.
I ricercatori hanno eseguito simulazioni dettagliate del progetto concettuale e hanno 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 i costi”, afferma Ghoneim. “Con questo progetto, abbiamo scoperto che tutto può essere alimentato dal calore del sole. È in grado di utilizzare il 40% del calore del sole per produrre idrogeno.”
“Se ciò potesse essere raggiunto, potrebbe cambiare radicalmente il nostro futuro energetico, consentendo la produzione di idrogeno 24 ore su 24, 7 giorni su 7”, afferma Christopher Muhic, assistente professore di ingegneria chimica presso l’Arizona State University, che non è stato coinvolto nella ricerca. “La capacità di produrre idrogeno è la spina dorsale della produzione di combustibili liquidi dalla luce solare”.
L’anno prossimo, 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.
“Quando questo sistema sarà completamente implementato, sarà ospitato in un piccolo edificio nel mezzo di un campo solare”, spiega Patankar. “All’interno dell’edificio potrebbero esserci uno o più treni contenenti ciascuno circa 50 reattori. Pensiamo che questo potrebbe essere un sistema modulare, in cui si potrebbero 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.
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