Esperimenti di laboratorio e una campagna di volo parabolico hanno permesso a un team internazionale di ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) di acquisire nuove conoscenze sull'elettrolisi dell'acqua, in cui l'idrogeno è ottenuto dall'acqua applicando energia elettrica. L'elettrolisi dell'acqua potrebbe svolgere un ruolo chiave nella transizione energetica se si possono ottenere miglioramenti dell'efficienza. I risultati pubblicati di recente sulla rivista Lettere di revisione fisica offrire un possibile punto di partenza per aumentare l'impatto ambientale delle tecnologie basate sull'idrogeno.

Sono necessarie soluzioni praticabili per lo stoccaggio intermedio di energia per garantire che l'elettricità in eccesso generata dai sistemi di energia solare ed eolica durante i picchi di produzione non venga sprecata. La produzione di idrogeno, che può essere poi convertito in altri vettori energetici chimici, è un'opzione interessante. È essenziale che questo processo avvenga nel modo più efficiente e quindi conveniente.

Il team di ricercatori dell'HZDR, guidato dalla prof.ssa Kerstin Eckert, specificamente focalizzato sull'elettrolisi dell'acqua. Questo metodo utilizza l'energia elettrica per dividere le molecole d'acqua nelle loro parti componenti:idrogeno e ossigeno. Per fare questo, una corrente elettrica viene applicata a due elettrodi immersi in una soluzione acquosa acida o alcalina. L'idrogeno gassoso si forma su un elettrodo, e ossigeno dall'altra. Però, la conversione dell'energia comporta perdite. In pratica, il metodo attualmente offre un'efficienza energetica di circa il 65-85 percento, a seconda del processo elettrolitico utilizzato. L'obiettivo della ricerca sull'elettrolisi è aumentare l'efficienza a circa il 90% sviluppando tecniche migliori.

Le bolle di idrogeno oscillanti forniscono una nuova comprensione

Una migliore comprensione dei processi chimici e fisici sottostanti è essenziale per ottimizzare il processo di elettrolisi. Le bolle di gas che crescono sull'elettrodo sperimentano la galleggiabilità, facendo salire le bolle. Il problema di prevedere con precisione il tempo di distacco delle bolle di gas dagli elettrodi ha sconcertato per anni i ricercatori. È anche noto che la perdita di calore si verifica quando le bolle rimangono sull'elettrodo. In una combinazione di esperimenti di laboratorio e calcoli teorici, gli scienziati hanno ora generato una migliore comprensione delle forze che agiscono sulla bolla. "I nostri risultati risolvono un vecchio paradosso della ricerca sulle bolle di idrogeno, "Pensò Eckert.

In precedenti esperimenti, i ricercatori hanno già notato che le bolle di idrogeno iniziano a oscillare rapidamente. Hanno studiato questo fenomeno in modo più dettagliato:utilizzando una telecamera ad alta velocità, hanno catturato l'ombra delle bolle, e ha analizzato come le singole bolle possono staccarsi da un elettrodo cento volte al secondo, solo per riattaccarlo subito dopo. Si resero conto che una forza elettrica finora trascurata stava competendo con la galleggiabilità, facilitando l'oscillazione.

L'esperimento ha anche mostrato che una sorta di tappeto di microbolle si forma permanentemente tra la bolla di gas e l'elettrodo. Al di sopra di un certo spessore del tappeto, la forza elettrica non è più in grado di tirare indietro la bolla, permettendogli di salire. Questa conoscenza può ora essere utilizzata per migliorare l'efficienza dell'intero processo.

I voli parabolici confermano i risultati

Per corroborare i loro risultati, i ricercatori hanno ripetuto l'esperimento durante un volo parabolico sponsorizzato dal Centro aerospaziale tedesco (DLR). Ciò ha consentito loro di esaminare come i cambiamenti nella galleggiabilità influenzino la dinamica delle bolle di gas. "La gravità alterata durante una parabola ci ha permesso di variare parametri fisici chiave, che non siamo stati in grado di influenzare in laboratorio, " ha spiegato Aleksandr Bashkatov, autore principale dello studio recentemente pubblicato. Il dottorato studente dell'HZDR ha condotto gli esperimenti a bordo del volo parabolico insieme ad altri colleghi. Durante i periodi di gravità zero approssimativa, quando si verifica una caduta libera durante un volo parabolico, la galleggiabilità è praticamente zero, ma è notevolmente migliorata alla fine della parabola. I risultati dei voli hanno anche mostrato che sarebbe difficile trasferire le tecnologie dell'idrogeno per un potenziale utilizzo nello spazio, senza galleggiamento, rimuovere le bolle di gas dall'elettrodo sarebbe una sfida ancora più grande che sulla Terra.

Applicazione di elettrolizzatori ad acqua:energie rigenerative per la regione

Nonostante il fatto che gli esperimenti del gruppo di ricerca dovessero avvenire in condizioni di laboratorio semplificate, le nuove scoperte contribuiranno in futuro ad aumentare l'efficienza degli elettrolizzatori. I ricercatori, guidato da Kerstin Eckert, stanno attualmente pianificando di collaborare con i partner di Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresda, Zittau-Görlitz University of Applied Sciences e partner industriali locali per un progetto che esplora la produzione di idrogeno verde nella regione tedesca della Lusazia. L'obiettivo del progetto è migliorare l'elettrolisi dell'acqua alcalina a tal punto da poter sostituire i combustibili fossili. "Gli elettrolizzatori alcalini sono molto più economici ed ecologici, e non utilizzano risorse scarse perché non hanno bisogno di elettrodi rivestiti di metalli preziosi. L'obiettivo a lungo termine del consorzio è sviluppare una nuova generazione di potenti dispositivi alcalini, " ha riassunto Eckert.