Con la diminuzione del prezzo dell'energia rinnovabile, c'è un crescente interesse nel trovare modi per risparmiarla economicamente. Le batterie possono gestire picchi di produzione a breve termine, ma potrebbero non essere in grado di gestire carenze a lungo termine o variazioni stagionali nella produzione di elettricità. L'idrogeno è una delle numerose opzioni prese in considerazione che ha il potenziale per fungere da ponte a lungo termine tra periodi di elevata produttività delle energie rinnovabili.
Ma l'idrogeno ha i suoi problemi. Procurarselo scindendo l'acqua è piuttosto inefficiente dal punto di vista energetico, e conservarlo per lunghi periodi può essere difficile. La maggior parte dei catalizzatori che producono idrogeno funzionano meglio anche con acqua pulita, non necessariamente del tipo facilmente disponibile, poiché il cambiamento climatico aumenta l'intensità della siccità.
Un gruppo di ricercatori in Cina ha sviluppato un dispositivo in grado di produrre idrogeno dall'acqua di mare: infatti, deve trovarsi nell'acqua di mare affinché il dispositivo funzioni. Il concetto chiave alla base del suo lavoro sarà familiare a chiunque capisca come funziona la maggior parte degli indumenti impermeabili.
L'abbigliamento impermeabile e traspirante si basa su una membrana con pori accuratamente strutturati. La membrana è realizzata in materiale che respinge l'acqua. Ha i pori, ma sono troppo piccoli per far passare l'acqua liquida. Ma sono abbastanza grandi da consentire il passaggio di singole molecole d'acqua. Di conseguenza, l'acqua all'esterno dell'indumento rimane lì, ma il sudore all'interno che evapora continuerà a fluire attraverso il tessuto e si farà strada verso il mondo esterno. Di conseguenza, il tessuto respira.
Tale membrana è fondamentale per il funzionamento del nuovo dispositivo. Non fa passare l'acqua liquida attraverso la membrana, ma fa passare il vapore acqueo. La grande differenza è che l'acqua liquida si trova su entrambi i lati della membrana.
Fuori - acqua di mare con un set standard di sali. Al suo interno si trova una soluzione concentrata di un unico sale - in questo caso idrossido di potassio (KOH) - compatibile con il processo di elettrolisi che produce idrogeno. Immerso nella soluzione KOH è un insieme di elettrodi che producono idrogeno e ossigeno su entrambi i lati del separatore, mantenendo puliti i flussi di gas.
Cosa succede dopo che l'apparecchiatura inizia a funzionare? Poiché l'acqua all'interno del dispositivo si divide per produrre idrogeno e ossigeno, il livello ridotto dell'acqua aumenta la concentrazione della soluzione di sale caustico (che inizialmente era molto più concentrata dell'acqua di mare). Ciò rende efficiente dal punto di vista energetico spostare l'acqua attraverso la membrana dell'acqua di mare per diluire il KOH. E, grazie ai pori, questo è possibile, ma solo se l'acqua si muove sotto forma di vapore.
Di conseguenza, mentre si trova all'interno della membrana, l'acqua rimane allo stato di vapore per un breve periodo, per poi trasformarsi rapidamente in un liquido non appena entra nel dispositivo. Tutta la complessa miscela di sali contenuta nell'acqua di mare rimane all'esterno della membrana, e agli elettrodi che la dividono viene fornito un flusso costante di acqua dolce. È importante sottolineare che tutto ciò avviene senza utilizzare l'energia normalmente utilizzata nella desalinizzazione, rendendo il processo complessivo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al trattamento dell'acqua per l'utilizzo in un elettrolizzatore standard.
In linea di principio, tutto questo suona alla grande, ma funziona davvero? Per scoprirlo, il team ha assemblato il dispositivo e lo ha testato nell'acqua di mare della baia di Shenzhen (una baia a nord di Hong Kong e Macao). E secondo quasi ogni misura ragionevole, ha funzionato bene.
Ha mantenuto le prestazioni anche dopo 3200 ore di utilizzo e la microscopia elettronica della membrana dopo l'uso ha mostrato che i pori sono rimasti sbloccati in questa fase. Il KOH utilizzato per il sistema non era completamente puro, quindi conteneva bassi livelli di ioni presenti nell'acqua di mare. Ma questi livelli non sono aumentati nel tempo, confermando che il sistema non permetteva all'acqua di mare di entrare nella camera di elettrolisi. In termini di consumo energetico, il sistema utilizzava all'incirca quanto un elettrolizzatore standard, a conferma che il trattamento dell'acqua non richiedeva alcun dispendio energetico.
Anche la soluzione KOH era autobilanciante, con la diffusione dell'acqua nel dispositivo che rallentava se la sua soluzione interna diventava troppo diluita. Se diventa troppo concentrato, l'efficienza dell'elettrolisi diminuisce, quindi la rimozione dell'acqua rallenta.
Gli autori stimano che il loro dispositivo possa funzionare sotto la pressione dell'acqua di mare a profondità fino a 75 m, ma la temperatura a queste profondità può essere limitante, poiché la velocità di diffusione dell'acqua attraverso la membrana è sei volte superiore a 30°C che a 0°C. °C.
Anche con tutte queste buone notizie, ci sono opportunità per migliorare le prestazioni. Vari sali diversi da KOH vanno bene e alcuni potrebbero funzionare meglio. I ricercatori hanno anche scoperto che l'incorporazione di KOH nell'idrogel attorno agli elettrodi ha aumentato la produzione di idrogeno. Infine, è possibile che la modifica del materiale o della struttura degli elettrodi utilizzati nella scissione dell'acqua possa accelerare ulteriormente il processo.
Infine, il team ha suggerito che potrebbe essere utile per qualcosa di più della semplice produzione di idrogeno. Invece dell'acqua di mare, hanno immerso uno dei dispositivi in una soluzione diluita di litio e hanno scoperto che dopo 200 ore di funzionamento, la concentrazione di litio è aumentata di oltre 40 volte a causa dell'acqua che entrava nel dispositivo. Ci sono molti altri contesti, come il trattamento delle acque contaminate, dove questa capacità di concentrazione può essere utile.
Ciò non risolve tutti i problemi legati all'utilizzo dell'idrogeno come riserva di energia. Ma ha certamente il potenziale per permetterci di depennare "la necessità di acqua pulita" dall'elenco di questi problemi.
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