L'idrogeno come vettore energetico può aiutarci ad allontanarci dai combustibili fossili, ma solo se è creato in modo efficiente. Un modo per migliorare l'efficienza è utilizzare il calore di scarto residuo di altri processi industriali.

Nel mese di giugno, l'Agenzia internazionale per l'energia ha confermato ciò che la maggior parte degli esperti già sa:che il mondo dovrebbe lavorare di più per aumentare l'uso dell'idrogeno puro come fonte di energia priva di emissioni.

Una delle sfide della creazione di idrogeno, però, è che ci vuole energia, molta energia. L'IEA afferma che la produzione di tutto l'idrogeno di oggi utilizzando solo l'elettricità richiederebbe 3600 TWh, che è più di quanto viene generato annualmente dall'Unione europea.

Ma cosa accadrebbe se potessi utilizzare una fonte esistente di energia sprecata per aiutare con la produzione di idrogeno? Un nuovo approccio sviluppato dai ricercatori dell'Università norvegese di scienza e tecnologia fa esattamente questo, utilizzando il calore di scarto di altri processi industriali.

"Abbiamo trovato un modo per utilizzare il calore che altrimenti non vale molto, " ha detto Kjersti Wergeland Krakhella, il primo autore di un articolo sul processo pubblicato sulla rivista accademica MDPI Energies. "È di basso livello, calore a bassa temperatura, ma può essere utilizzato per produrre idrogeno".

Un settimo della produzione di elettricità della Norvegia

Il calore di scarto è esattamente quello che sembra:calore prodotto come sottoprodotto di un processo industriale. Qualsiasi cosa, da una caldaia industriale a un impianto di termovalorizzazione, produce calore di scarto.

Il più delle volte, questo calore in eccesso deve essere rilasciato nell'ambiente. Gli esperti di energia affermano che il calore di scarto delle imprese e delle industrie norvegesi è l'equivalente di 20 TWh di energia.

Per mettere questo in prospettiva, L'intero sistema idroelettrico norvegese produce 140 TWh di elettricità all'anno. Ciò significa che c'è un sacco di calore disperso là fuori che potrebbe potenzialmente essere utilizzato.

Membrane e sali

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata elettrodialisi inversa (RED), che si basa su soluzioni saline e due varietà di membrane a scambio ionico.

Per capire cosa hanno effettivamente fatto i ricercatori, devi prima capire come funziona la tecnica RED.

In rosso, una membrana, chiamata membrana a scambio anionico, o AEM, permette agli elettroni caricati negativamente (anioni) di muoversi attraverso la membrana, mentre una seconda membrana, chiamata membrana a scambio cationico, o CEM, permette agli elettroni caricati positivamente (cationi) di fluire attraverso la membrana.

Le membrane separano una soluzione salina diluita da una soluzione salina concentrata. Gli ioni migrano dalla soluzione concentrata a quella diluita, e poiché i due diversi tipi di membrane si alternano, costringono gli anioni e i cationi a migrare in direzioni opposte.

Quando queste colonne alternate sono inserite tra due elettrodi, lo stack può generare energia sufficiente per dividere l'acqua in idrogeno (dal lato del catodo) e ossigeno (dal lato dell'anodo).

Questo approccio è stato sviluppato negli anni '50 e ha utilizzato per la prima volta l'acqua salata e l'acqua di fiume.

Cosa hanno fatto Krakhella e i suoi colleghi, però, era usare un diverso tipo di sale chiamato nitrato di potassio. L'uso di questo tipo di sale ha permesso loro di utilizzare il calore di scarto come parte del processo.

Riutilizzare i sali utilizzando il calore disperso

Se esegui gli stack ROSSI descritti sopra, ad un certo punto le soluzioni saline concentrate e diluite diventano sempre più simili, quindi devono essere rinfrescati.

Ciò significa che devi trovare un modo per aumentare la concentrazione del sale nella soluzione concentrata e rimuovere il sale dalla soluzione diluita. È qui che entra in gioco il calore di scarto.

I ricercatori hanno testato due sistemi.

Il primo era dove veniva utilizzato il calore di scarto per far evaporare l'acqua dalla soluzione concentrata per renderla più concentrata.

Il secondo sistema utilizzava il calore di scarto per far precipitare il sale dalla soluzione diluita (quindi sarà meno salato).

"Se trovi un modo per togliere l'acqua o togliere il sale, hai fatto il lavoro, " disse Krakhella.

Entrambi hanno avuto dei vantaggi

Quando i ricercatori hanno esaminato i loro risultati, hanno visto che l'utilizzo della tecnologia a membrana esistente e il calore disperso per far evaporare l'acqua dal loro sistema produceva più idrogeno per area della membrana rispetto all'approccio della precipitazione.

La produzione di idrogeno era quattro volte superiore per il sistema di evaporazione operato a 25 C e due volte superiore per un sistema operato a 40 C rispetto al loro sistema di precipitazione.

Ciò lo ha reso un candidato migliore dal punto di vista dei costi.

Però, il processo di precipitazione è stato migliore in termini di richiesta di energia, i ricercatori hanno scoperto. Per esempio, l'energia necessaria per produrre un metro cubo di idrogeno mediante il processo di precipitazione era di appena 8,2 kWh, rispetto ai 55 kWh per il processo di evaporazione.

Nuovo sistema con molte possibilità

Mentre il lavoro di Krakhella dimostra che il concetto funzionerà, ha lavorato principalmente con un modello da banco da laboratorio e molti calcoli al computer. C'è ancora tanto lavoro da fare, soprattutto per quanto riguarda il tipo di sale utilizzato nel processo.

I ricercatori hanno scelto il nitrato di potassio per il loro sistema salino, ma anche altri sali potrebbero funzionare, lei disse.

"È un sistema completamente nuovo, " ha detto. "Avremo bisogno di fare più test con altri sali ad altre concentrazioni."

I prezzi delle membrane sono un fattore limitante

Un altro problema che continua a limitare la produzione di idrogeno è che le membrane stesse rimangono estremamente costose.

Krakhella spera che mentre le società cercano di allontanarsi dai combustibili fossili, l'aumento della domanda farà abbassare il prezzo delle membrane, oltre a migliorare le caratteristiche delle membrane stesse.

"Le membrane sono la parte più costosa del nostro sistema, "Ha detto Krakhella. "Ma tutti sanno che dobbiamo fare qualcosa per l'ambiente, e il prezzo è potenzialmente molto più alto per la società se non sviluppiamo energia senza inquinamento".