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La magia dell'acqua: come scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno?
La tecnologia di scissione dell'acqua è come se conferisse all'acqua una sorta di magia, in grado di convertirla in idrogeno e ossigeno. Questo processo non solo è onnipresente in natura, ma rappresenta anche una tecnologia fondamentale per la futura economia dell'idrogeno. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, la decomposizione dell'acqua presenta numerose sfide, in particolare quella di come ottenere l'idrogeno in modo efficiente ed economico, che è l'obiettivo della ricerca di molti scienziati e ingegneri.
Le sfide dell'elettrolisi dell'acqua
L'elettrolisi dell'acqua è il processo di scissione dell'acqua (H2O) in ossigeno (O2) e idrogeno (H2). Il processo è semplice ma impegnativo perché l'elettricità richiesta spesso supera il valore economico dell'idrogeno stesso.
Sebbene l'elettrolisi a bassa temperatura abbia una bassa efficienza, l'elettrolisi ad alta temperatura (HTE) ha il potenziale per aumentare l'efficienza di conversione energetica fino a circa il 50%.
Questo perché l'elettrolisi ad alta temperatura utilizza parte dell'energia termica nella reazione chimica, quindi l'energia convertita è più efficiente. Grazie ai progressi nella tecnologia dell'elettrolisi, in futuro sarà possibile ottenere una produzione di idrogeno più efficiente.
La scissione dell'acqua nella fotosintesi
Un'altra forma di scissione dell'acqua può essere osservata nel processo di fotosintesi, ma in questo processo gli elettroni prodotti non vengono utilizzati per produrre idrogeno, bensì per ridurre l'anidride carbonica e produrre zuccheri. L'"ossidazione dell'acqua" in questo processo può essere definita la decomposizione dell'acqua in natura. In questo processo, l'elemento manganese nel sito attivo ha attirato numerose ricerche sulla sintesi di composti di manganese come catalizzatori di ossidazione dell'acqua.
Scissione fotoelettrochimica dell'acqua
La scissione dell'acqua mediante l'energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici è considerata uno dei metodi più puliti per produrre idrogeno. In una cella fotoelettrochimica, l'energia solare viene utilizzata per favorire la scissione dell'acqua e contemporaneamente effettuare la catalisi, nota come fotosintesi artificiale.
Scissione fotocatalitica dell'acqua
Al contrario, la scissione dell'acqua mediante fotocatalizzatori sospesi in acqua potrebbe essere più efficiente. Questo tipo di tecnologia mira a ridurre l'intero processo di reazione a un unico passaggio per produrre idrogeno e ossigeno.
Altri metodi di scissione dell'acqua
Oltre ai metodi sopra descritti, esiste anche il metodo della dissociazione delle radiazioni che utilizza radiazioni nucleari. Questo metodo si basa sull'idrogeno prodotto in aree ad alta radiazione. Uno studio ha scoperto una comunità microbica in una miniera d'oro in Sudafrica specializzata nella produzione di idrogeno dalle radiazioni.
Metodo di decomposizione termica
La decomposizione termica dell'acqua (pirolisi) deve far fronte alle sfide delle alte temperature e alle limitazioni dei materiali nelle applicazioni industriali. Sebbene alcune molecole d'acqua inizino a decomporsi a 2200 °C, l'energia e i materiali necessari per raggiungere temperature così elevate sono relativamente costosi.
Il potenziale dell'energia nucleareGli impianti nucleari sono progettati con la flessibilità di generare elettricità durante il giorno e idrogeno di notte, il che consente loro di soddisfare al meglio la domanda di elettricità. Se si riuscisse a ridurre significativamente i costi di produzione dell'idrogeno, questa potrebbe diventare un'ulteriore opzione per competere con le attuali tecnologie di accumulo di energia in rete.
Tecnologia dell'energia solare concentrata
Ad esempio, Hydrosol II, costruito presso la Plataforma Solar de Almería in Spagna, dimostra la tecnologia che consente di utilizzare l'energia solare concentrata per raggiungere le temperature necessarie fino a 1200°C. L'impianto è progettato secondo un concetto modulare, che gli conferisce la possibilità di essere ampliato per produrre idrogeno su scala di megawatt.
Le prospettive dei cicli termochimici
I processi termochimici come il ciclo zolfo-iodio mostrano potenziale per la produzione di idrogeno e le fonti di energia termica per questi metodi sono principalmente l'energia solare e termica. Lo sviluppo di queste tecnologie ha il potenziale di superare i limiti di efficienza dei metodi tradizionali di elettrolisi dell'acqua.
La decomposizione dell'acqua non è solo parte dell'innovazione tecnologica, ma è anche correlata alla sostenibilità dell'energia futura. Mentre osserviamo questa magia che scinde l'acqua, non possiamo fare a meno di chiederci: queste tecnologie avanzate possono rivoluzionare il nostro modo di concepire la produzione di energia?
