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Analisi dello stato dell’arte, individuazione dei materiali fotoattivi e delle condizioni operative più promettenti, design di sistemi integrati

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Analisi dello stato dell’arte, individuazione dei materiali fotoattivi e delle condizioni operative più promettenti, design di sistemi integrati

La produzione di idrogeno mediante scissione fotocatalitica dell’acqua indotta dalla luce del sole sta riscontrato negli ultimi anni un notevole interesse scientifico per la sua potenziale applicazione nel campo della conversione e immagazzinamento dell’energia solare. Il processo, concettualmente analogo alla fotosintesi, permette di ottenere idrogeno puro da utilizzare come vettore energetico per conservare l’energia prodotta ed utilizzarla successivamente. Nel presente rapporto si è effettuata un’accurata ricerca per definire lo stato dell’arte sul tema ed indirizzare la scelta verso la sintesi dei migliori materiali per la realizzazione di fotoelettrodi da impiegare nella scissione fotocatalitica dell’acqua.

Per la loro caratteristica di discontinuità e di disponibilità circoscritta ad aree ristrette di territorio, lo sfruttamento ottimale delle fonti energetiche rinnovabili solare ed eolica richiede di poter accumulare l’energia prodotta e di utilizzarla attraverso un opportuno, versatile vettore energetico. In tale ottica la possibilità di utilizzare l’idrogeno può risultare conveniente. In particolare, la produzione fotoelettrocatalitica di idrogeno ha suscitato un notevole interesse scientifico negli ultimi decenni per la sua potenziale applicazione nel campo dello sfruttamento ed immagazzinamento dell’energia solare. La fotoelettrocatalisi permette di ottenere direttamente idrogeno di elevatissima purezza e rappresenta un metodo di utilizzo dell’energia solare alternativo alla produzione elettrica e successivo accumulo del surplus.

In questa prospettiva, lo scenario di sviluppo del sistema energetico prevede un incremento della produzione di energia da fonti rinnovabili e l’accumulo di energia elettrica, anche di lungo periodo, tramite la produzione di idrogeno per l’utilizzo in alcuni processi industriali, nei trasporti ed eventualmente in sistemi stazionari di produzione di energia, preferibilmente cogenerativi. Impianti per la produzione centralizzata di energia elettrica (turbine a gas) e motori a combustione interna alimentati a idrogeno sono già fattibili sulla base delle tecnologie esistenti, con emissioni sensibilmente ridotte.

Obiettivo finale dell’attività di ricerca sulla produzione fotoelettrocatalitica di idrogeno, prevista nel Piano Triennale di Realizzazione 2019-2021 è la progettazione e realizzazione di una cella per la scissione fotoelettrocatalitica dell’acqua che consenta l’evoluzione separata dell’ossigeno e dell’idrogeno prodotto, con l’intento di arrivare ad una resa di produzione di idrogeno pari ad almeno il 6% rispetto alla radiazione incidente. Allo scopo dovranno essere sviluppati e preparati fotoelettrodi attivi, stabili ed economici sotto forma di film sottili ottenibili attraverso idonee tecniche di deposizione.

Il presente rapporto relaziona sull’attività svolta durante il primo anno di progetto, che è stato dedicato all’aggiornamento dello stato dell’arte sul tema mediante una ricerca mirata all’individuazione di nuovi promettenti materiali fotoattivi, anche in forma superficialmente o strutturalmente modificata, ovvero accoppiati in eterogiunzioni, nella prospettiva di superare i limiti attuali di efficienza dei sistemi fotoelettrocatalitici, legati principalmente alle limitazioni di assorbimento di luce solare e di separazione efficiente dei portatori di carica fotogenerati. Parallelamente, nella prospettiva della fattibilità anche su scala industriale, si sono valutate le diverse tecniche per la sintesi dei materiali fotoattivi e le metodiche di deposizione in forma di film sottili.

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