De sute de milioane de ani, plantele fac ceva uimitor de sofisticat. Captând lumina soarelui, frunzele transformă energia acesteia în energie chimică, care poate fi stocată și folosită ulterior.
Inspirată de acest proces natural, o echipă de cercetători europeni a dedicat aproape patru ani dezvoltării unui sistem care folosește lumina soarelui pentru a descompune apa, producând hidrogen verde care poate fi stocat și folosit apoi ca sursă de energie.
Pentru dr. Ailbe Ó Manacháin, cercetător științific principal la University College Cork din Irlanda, care a coordonat cercetarea, punctul de plecare a fost o întrebare aparent simplă: ar putea fi transformată lumina soarelui direct în hidrogen verde printr-un singur sistem cu mai multe celule, reutilizabil și fără emisii de carbon?
Activitatea, derulată prin proiectul FreeHydroCells finanțat de UE, a reunit cercetători din Irlanda, Franța, Germania și Italia.
„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 spus 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.
Dar producerea hidrogenului cu ajutorul energiei din surse regenerabile nu este deloc un proces simplu. Metoda convențională pentru producerea așa-numitului hidrogen verde constă în folosirea energiei electrice din surse regenerabile pentru a alimenta un electrolizor, care apoi descompune apa în hidrogen și oxigen. Această metodă necesită sisteme separate pentru producerea de energie electrică și pentru descompunerea apei.
Cercetătorii de la FreeHydroCells au explorat o abordare mai integrată, reunind aceste funcții într‑un singur sistem. Pornind de la materiale semiconductoare noi, care se află încă în stadiu incipient de dezvoltare, ei și‑au propus să construiască un sistem complet capabil să descompună apa în hidrogen și oxigen folosind lumina soarelui, fără să se bazeze pe combustibili fosili.
Pentru a realiza acest lucru, au vrut să combine eficiența, prețul accesibil și durabilitatea, folosind în același timp materiale disponibile în cantități mari și sustenabile. Au vrut și să arate că tehnologia poate fi extinsă, 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.
Proces similar cu cel al frunzelor
Cercetătorii își descriu tehnologia ca fiind „similară cu cea a frunzelor”, și nu ca reproducere artificială a fotosintezei.
O frunză naturală folosește lumina soarelui, apă și CO2 pentru a produce materia organică în care este stocată energia. Sistemul FreeHydroCells folosește, în schimb, lumina soarelui pentru a realiza un proces fără emisii de carbon, care descompune apa în hidrogen și oxigen.
„În fond, o frunză este tot o fabrică biochimică alimentată cu energie solară”, a spus dr. Ulrich Plachetka, care coordonează grupuri de cercetare în tehnologia senzorilor și conversia energiei din cadrul AMO, o organizație germană de cercetare în nanotehnologie, cu sediul la Aachen.
În centrul sistemului se află straturi subțiri de materiale semiconductoare concepute pentru a absorbi lumina soarelui. Când este absorbită suficientă energie luminoasă, sunt generate sarcini electrice care pot fi transferate la interfețele cu apa, furnizând energia necesară pentru a separa moleculele de apă.
Cu alte cuvinte, lumina soarelui este captată și transformată în energie chimică sub formă de hidrogen – în cadrul aceluiași sistem.
De la o celulă la un sistem
Conceptul nu este complet nou. Celulele fotoelectrochimice sunt studiate de peste cinci decenii, dar transformarea acestei idei într-o tehnologie practică reprezintă o provocare mult mai mare.
Cercetătorii au trebuit să combine cunoștințe din diferite domenii, printre care materialele semiconductoare, nanotehnologia, descompunerea apei și conversia energiei.
Au fost nevoiţi și să abordeze câteva întrebări practice fundamentale.
- Tehnologia ar putea funcționa pe o zonă mai mare?
- Ar putea fi integrate componente diferite?
- Și sistemul rezultat ar putea fi realizat folosind procese compatibile cu cele din industria prelucrătoare?
De-a lungul mai multor ani, echipa a trecut de la materiale semiconductoare nou apărute și celule de laborator mici la celule cu o suprafață mai mare, cu mai multe straturi și, în cele din urmă, la un sistem cu mai multe celule pentru descompunerea apei.
Această realizare la nivel de sistem este o parte importantă a rezultatelor proiectului. În loc să prezinte o singură celulă funcțională, cercetătorii au integrat mai multe componente într‑un sistem mai mare, proiectat astfel încât să permită fabricarea sa la scară industrială în viitor.
Testele efectuate în 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, folosind 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, însă, faptul că au arătat 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, trebuie să fie și accesibil ca preț, precum și durabil și să evite și 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 nevoie de el.
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, însă, aceasta rămâne o posibilitate pentru viitor, nu o aplicație deja demonstrată.
Din laborator la comunități
Provocarea imediată este să ducă tehnologia dincolo de stadiul actual de validare a conceptului în laborator și să o testeze 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 din surse regenerabile mai aproape de locurile în care oamenii locuiesc și muncesc. Acest lucru ar putea oferi comunităților un control mai mare asupra modului în care energia lor este produsă, stocată și folosită, reducând în același timp amprenta de carbon, dependența de combustibilii fosili și presiunea asupra rețelelor energetice existente.
Articol scris de Maria Vlastara
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista UE pentru cercetare și inovare.
Cercetările prezentate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al Uniunii Europene.
Mai multe informații
- FreeHydroCells (CORDIS)
- Site-ul proiectului FreeHydroCells
- Strategia UE pentru hidrogen
- Săptămâna UE a hidrogenului
