Frunze artificiale produc hidrogen verde din lumina soarelui

Un proces similar cu cel al frunzelor!

În cadrul proiectului european FreeHydroCells, o echipă internațională de cercetători a reușit să demonstreze un sistem capabil să transforme direct lumina soarelui în hidrogen verde, printr-un proces care nu necesită intermediere electrică externă. Această inițiativă, care a necesitat aproximativ patru ani de muncă, a reunit experți din Irlanda, Franța, Germania și Italia, cu obiectivul de a dezvolta o soluție mai eficientă și mai economică pentru producția energiei curate, inspirată de mecanisme naturale.

Dr. Ailbe Ó Manacháin, cercetător științific principal la University College Cork din Irlanda, a coordonat eforturile echipei. Punctul de plecare al cercetării a fost o întrebare aparent simplă: este posibil să se transforme lumina soarelui direct în hidrogen verde printr-un singur sistem cu mai multe celule, reutilizabil și fără emisii de carbon?

„Am vrut să dezvoltăm o metodă mai eficientă și mai economică de a produce energie curată, inspirându-ne din modul în care frunzele captează lumina soarelui”, a explicat el.

De la lumina soarelui la hidrogen

Se preconizează că hidrogenul va juca un rol important în procesul prin care Europa renunță treptat la combustibilii fosili. Totuși, producerea hidrogenului folosind energie din surse regenerabile nu este deloc o sarcină simplă. Metoda convențională pentru obținerea așa-numitului hidrogen verde implică utilizarea energiei electrice provenite din surse regenerabile pentru a alimenta un electrolizor, care apoi descompune apa în hidrogen și oxigen.

Această abordare necesită sisteme separate: unul pentru generarea curentului electric și altul pentru descompunerea apei.

Cercetătorii din cadrul FreeHydroCells au explorat o abordare mai integrată, care combină aceste funcții într-un singur dispozitiv.

Pornind de la materiale semiconductoare noi, încă aflate în stadiu incipient de dezvoltare, ei și-au propus construirea unui sistem complet care descompune apa în hidrogen și oxigen folosind exclusiv lumina soarelui, fără a se baza pe combustibili fosili.

Cum funcționează cea mai mare fabrică de hidrogen verde din Europa Centrală și de Est

Pentru a atinge acest obiectiv, echipa a căutat să echilibreze eficiența, costul accesibil și durabilitatea, utilizând în același timp materiale disponibile în cantități mari și sustenabile. Au fost necesare și teste care să demonstreze că tehnologia este scalabilă, trecând de la celule mici la unele mai mari și, în cele din urmă, reunindu-le într-un singur sistem funcțional cu mai multe celule.

De ce nu folosim acest „combustibil al viitorului”, pe scară largă, chiar de azi?

Un proces similar cu cel al frunzelor

Cercetătorii descriu tehnologia lor ca fiind „similară cu cea a frunzelor”, deși nu este o reproducere artificială exactă a fotosintezei. Într-o frunză naturală, lumina soarelui, apa și CO2 sunt transformate în materie organică în care este stocată energia. Sistemul FreeHydroCells utilizează, în schimb, lumina soarelui pentru a declanșa un proces anoxigenic care descompune apa în hidrogen și oxigen.

„În fond, o frunză este tot o fabrică biochimică alimentată cu energie solară”, a comentat dr.

Ulrich Plachetka, care coordonează grupuri de cercetare în tehnologia senzorilor și conversia energiei la AMO, o organizație germană de cercetare în nanotehnologie cu sediul la Aachen.

Inima sistemului este formată din straturi subțiri de materiale semiconductoare, proiectate special pentru a absorbi radiația solară. Odată ce o cantitate suficientă de energie luminoasă este captată, se generează sarcini electrice care se transferă la interfețele cu apa, oferind energia necesară pentru a separa moleculele de apă.

Cu alte cuvinte, lumina soarelui este captată și convertită direct în energie chimică sub formă de hidrogen, în cadrul aceluiași dispozitiv.

Viitorul hidrogenului – o evaluare realistă și nevoia unei strategii coerente

Deși conceptul nu este complet nou – celulele fotoelectrochimice sunt studiate de peste cinci decenii – transformarea acestei idei într-o tehnologie practică reprezintă o provocare mult mai mare. Cercetătorii au trebuit să integreze cunoștințe din mai multe domenii, inclusiv materialele semiconductoare, nanotehnologia, descompunerea apei și conversia energiei.

Au trebuit să răspundă la câteva întrebări practice fundamentale: poate tehnologia funcționa pe o zonă mai mare? Pot fi integrate componente diferite?

Conceptul nu e nou – se studiază de 50 de ani!

Și poate fi realizat sistemul final folosind procese compatibile cu cele din industria prelucrătoare?

De-a lungul mai multor ani, echipa a progresat de la materiale semiconductoare noi și celule de laborator mici, la celule cu suprafață mai mare și mai multe straturi, ajungând în cele din urmă la un sistem cu mai multe celule pentru descompunerea apei. Această realizare la nivel de sistem constituie o parte esențială a rezultatelor proiectului.

În loc de a prezenta o singură celulă funcțională, cercetătorii au integrat mai multe componente într-un ansamblu mai mare, proiectat astfel încât să permită fabricarea sa la scară industrială în viitor.

Testele efectuate sub condiții de lumină solară simulată au arătat randamente de conversie a energiei solare în hidrogen de aproximativ 18-21%, un rezultat remarcabil pentru sistemele de descompunere directă a apei folosind energia soarelui. Spre deosebire de electrolizoarele convenționale, care necesită mai întâi producerea de energie electrică și apoi o folosesc pentru a descompune apa, acest sistem a funcționat fără o sursă externă de energie electrică, utilizând direct lumina soarelui captată.

Tehnologia se află încă la nivelul 4 de maturitate tehnologică (TRL 4), ceea ce înseamnă că este într-o fază incipientă de testare și nu este momentan un produs adecvat pentru utilizare comercială. Pentru cercetători, totuși, faptul că au demonstrat că diferitele elemente pot lucra împreună pe o zonă mare a fost un pas important.

Hidrogen curat, mai ușor de obținut

Însă pentru echipa de cercetare, doar eficiența nu este de ajuns.

Pentru ca hidrogenul verde să devină o alternativă viabilă la combustibilii fosili, acesta trebuie să fie și accesibil ca preț, durabil și să evite dependența de materiale rare.

Sistemul FreeHydroCells folosește tehnologii cu peliculă subțire, precum și materiale disponibile în cantități mari, durabile și potențial reciclabile.

Cercetătorii au dezvoltat componente ușoare, cu suprafețe mai mari, care ulterior ar putea fi combinate în sisteme modulare. Se conturează astfel o metodă diferită de producere și stocare a energiei.

În loc să se bazeze exclusiv pe instalații mari, centralizate, hidrogenul ar putea fi produs mai aproape de locurile unde este necesar.

Pe termen lung, cercetătorii au în vedere sisteme energetice distribuite care ar putea permite gospodăriilor, întreprinderilor și comunităților să-și producă și să-și stocheze propria energie din surse regenerabile. Sistemele eoliene sau cele hidroelectrice mici ar putea completa componenta solară, contribuind la stocarea energiei atunci când lumina soarelui lipsește.

Un asemenea sistem ar putea reduce dependența de combustibilii fosili și, dacă ar fi implementat la scară largă, ar putea diminua presiunea asupra rețelelor energetice existente, reducând nevoia de a transporta energie pe distanțe lungi folosind infrastructuri costisitoare.

De asemenea, ar putea mări capacitatea comunităților în ceea ce privește disponibilitatea, producția, stocarea și folosirea energiei. Deocamdată, totuși, aceasta rămâne o posibilitate pentru viitor, nu o aplicație deja demonstrată.

Provocarea imediată constă în a duce tehnologia dincolo de stadiul actual de validare a conceptului în laborator și a o testa în condiții mai realiste, din lumea reală. Următorul obiectiv al cercetătorilor este să avanseze către nivelul TRL 5, prezentând tehnologia într-un mediu mai relevant. Acest lucru va presupune extinderea sistemului la zone mai mari, asigurând totodată posibilitatea fabricării sale în mod eficient și a introducerii ulterioare pe piață.

Am reușit să realizăm acest lucru la nivel de sisteme ușoare.

Și nu pot sublinia îndeajuns cât de important este acest lucru, a spus Ó Manacháin.

Mai e drum lung de la validarea conceptului în laborator până la o tehnologie pentru hidrogen verde implementată comercial. Însă cercetătorii au dus deja conceptul mult dincolo de faza de realizare tehnologică. Frunza lor artificială nu imită perfect natura. În schimb, preia unul din cele mai vechi trucuri ale naturii – captarea luminii soarelui și transformarea ei în energie chimică stocată – și combină acest principiu cu tehnologii moderne pentru semiconductori și din industria prelucrătoare.

Dacă abordarea poate deveni suficient de durabilă, accesibilă ca preț și scalabilă, ar putea oferi, în cele din urmă, o metodă mai directă și cu un impact potențial mai redus de a produce hidrogen verde.

Ar putea contribui la aducerea capacităților de producție și de stocare a energiei mai aproape de utilizatorii finali.