Sebbene si parli spesso dell'idrogeno come di un carburante del futuro non inquinante, specialmente per l'uso in veicoli elettrici a celle a combustibile, l'idrogeno può essere utilizzato per molto di più delle auto a emissioni zero. Infatti, dal miglioramento della flessibilità della rete all'inverdimento dell'agricoltura, l'idrogeno potrebbe svolgere un ruolo importante in un sistema energetico pulito e resiliente.

Nel tentativo di portare a compimento quella visione, il Dipartimento dell'Energia (DOE) ha lanciato "Hydrogen at Scale, " o H2@Scala, un'iniziativa che esplora il potenziale per la produzione e l'utilizzo su larga scala dell'idrogeno negli Stati Uniti a beneficio di molti settori dell'economia. A sostegno dell'iniziativa, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno rivolto sempre più la loro attenzione alla generazione di idrogeno.

"L'idrogeno è un ottimo vettore energetico intermedio", ha affermato Adam Weber, ricercatore del Berkeley Lab. "C'è una grande attenzione ora per utilizzare l'idrogeno per altri usi finali, non solo celle a combustibile e veicoli".

Il problema con l'idrogeno è mentre è l'elemento più comune sul nostro pianeta, non esiste da nessuna parte in forma pura. Ciò significa che deve essere prodotto da altri composti. Attualmente, la stragrande maggioranza dell'idrogeno è prodotta estraendolo dal gas naturale, un processo chiamato riformazione del metano a vapore. Sebbene sia poco costoso, rilascia grandi quantità di anidride carbonica nel processo.

Per la generazione di idrogeno più economica, più efficiente, e meno inquinanti i ricercatori del Berkeley Lab stanno perseguendo diverse tecnologie alternative, sfruttando le loro capacità nelle celle a combustibile, materiali, e altre aree. Questi includono l'elettrolisi, che utilizza l'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, e celle fotoelettrochimiche (PEC), che usano la luce del sole per fare la stessa cosa.

Se l'elettricità è generata da energia rinnovabile, l'elettrolisi è essenzialmente priva di inquinamento. "Crediamo che se si guarda a come stanno andando il solare e l'eolico, i prezzi dell'elettricità saranno molto più bassi in futuro, e nelle ore non di punta, il prezzo può anche diventare negativo, " Weber ha detto. "Se possiamo utilizzare quell'elettricità in un'unità di elettrolisi intermittente, possiamo iniziare a produrre dell'idrogeno molto economico".

Con l'aumento dell'uso di energia eolica e solare, un surplus di elettricità diventerà un problema per le utenze. "L'elettrolisi diventa un buon modo per utilizzare l'elettricità in eccesso:è stato dimostrato che è un modo molto economico per eseguire il livellamento del carico, ", ha affermato il ricercatore del Berkeley Lab Nem Danilovic.

In qualità di capo dell'Energy Conversion Group presso Berkeley Lab e vicedirettore di HydroGEN, un consorzio DOE di laboratori nazionali focalizzato su materiali avanzati per la scissione dell'acqua, Weber sta supervisionando una serie di progetti per elettrolizzatori sia a bassa che ad alta temperatura. L'elettrolisi è oggi in uso commerciale, ma la sfida è renderla più efficiente e meno ad alta intensità di capitale.

Come le celle a combustibile, gli elettrolizzatori sono costituiti da un anodo e un catodo separati da un elettrolita. "Abbiamo una vasta esperienza nella ricerca di celle a combustibile, e lo stiamo sfruttando anche per l'elettrolisi, " ha detto Danilovic. "Molti degli stessi strumenti e tecniche che sono stati sviluppati per comprendere le membrane, catalizzatori, i modelli vengono sfruttati da applicare agli elettrolizzatori e si spera di poter ridurre rapidamente il costo della generazione di idrogeno".

Anche la ricerca sulla generazione di idrogeno del Berkeley Lab sta ricevendo un impulso dalle capacità sviluppate presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale, (JCAP), un DOE Energy Innovation Hub istituito nel 2010 per far progredire la ricerca sui combustibili solari. Basandosi sul lavoro svolto dai ricercatori JCAP del Berkeley Lab sulle celle PEC, dividendo l'acqua in idrogeno su un elettrodo e ossigeno sull'altro, Weber e il suo team stanno ulteriormente perfezionando le celle per ridurre i costi e integrarle nei dispositivi.

"JCAP ha dimostrato un'elevata efficienza nel prendere la luce solare e ottenere bolle di idrogeno e ossigeno, " Weber ha detto. "Dobbiamo ancora lavorare sulla durata e sui costi, ma abbiamo sviluppato molte capacità nella scienza delle superfici, catalisi, integrazione, ed elettrocatalisi. Molte di queste capacità sono state trasferite al nostro lavoro sull'idrogeno".

Altri progetti di ricerca includono un generatore solare-idrogeno di perovskite, un elettrolizzatore ad ossido solido ad alta temperatura, così come la ricerca sui materiali di base come parte del consorzio HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, che è guidato dal National Renewable Energy Laboratory. "I materiali:ecco dove pensiamo che possa esserci innovazione, in termini di efficienza e anche di costo, " ha detto Weber. "Stiamo lavorando su tutto, dai calcoli ab initio dei catalizzatori alla modellazione multiscala a livello di cella, analisi delle membrane, facendo funzionalizzazione di superficie e proprietà di superficie, all'analisi comparativa".

Inoltre, gli scienziati del Berkeley Lab stanno sviluppando strumenti e analisi per accelerare il processo di ricerca e sviluppo, incluso fare analisi tecnico-economiche per l'integrazione della rete, confrontare le tecnologie tra loro per avere metriche e obiettivi comuni, e lo sviluppo di un archivio di dati sui materiali che gli scienziati possono utilizzare come strumento di ricerca.

Berkeley Lab fa anche parte di un altro consorzio DOE, Materiali a idrogeno - Consorzio di ricerca avanzata (HyMARC), guidato dai Laboratori Nazionali Sandia, che sta lavorando allo stoccaggio dell'idrogeno sicuro ed economico. Scienziati della fonderia molecolare del Berkeley Lab, un centro di ricerca scientifica su nanoscala DOE, stanno lavorando a diversi progetti HyMARC e recentemente hanno condotto uno studio sui nanocristalli di magnesio avvolti in uno strato di grafene, che ha mostrato grandi promesse per lo stoccaggio dell'idrogeno in modo sicuro e ad alta densità. Il ricercatore Jeff Urban guida HyMARC per il Berkeley Lab.

Mentre ci sono ancora problemi scientifici da superare Weber e Danilovic, sia nell'area delle tecnologie energetiche di Berkeley Lab, vedere una grande promessa per l'idrogeno di svolgere un ruolo nelle industrie dai trasporti al riscaldamento alla produzione alimentare. agricoltura moderna, Per esempio, è fortemente dipendente dai fertilizzanti, di cui ammoniaca, o NH3, è un componente fondamentale. "L'idrogeno per l'ammoniaca è derivato dal gas naturale, " Danilovic ha detto. "L'utilizzo di idrogeno a basso costo dall'elettrolisi potrebbe fornire opportunità di mercato per le attività incagliate come il vento ridotto e industrie come la produzione di fertilizzanti".

Consentendo la produzione e l'utilizzo su vasta scala di idrogeno pulito, H2@Scale affronta questioni chiave, come la resilienza della rete, Sicurezza energetica, e riduzione delle emissioni.

"Per rispondere a molteplici esigenze energetiche e di trasporto, l'idrogeno è un fattore abilitante perché possiamo ricavarlo da vari input, compresa l'energia nucleare o l'energia rinnovabile come la luce solare o l'energia eolica, " ha detto Danilovic. "Possiamo prendere elettricità pulita e usarla per produrre idrogeno, un bene piuttosto flessibile che può quindi essere utilizzato in vari settori, e nel processo, consentire la sicurezza energetica, resilienza, e crescita economica».