Fonte: sec.ucf.edu
L'uso dell'energia solare per produrre idrogeno può essere condotto mediante due processi: l'elettrolisi dell'acqua utilizzando l'elettricità generata dal sole e la scissione solare diretta dell'acqua. Quando si considera l'elettricità generata dal sole, quasi tutti parlano di elettrolisi FV. Il processo funziona. In effetti, è stato dimostrato per la prima volta al Florida Solar Energy Center nel 1983 grazie ai finanziamenti del Kennedy Space Center della NASA. Sebbene tecnologicamente fattibile, non è ancora economicamente sostenibile. Oltre ai costi, c'è la questione del perché utilizzare l'elettricità, un vettore energetico molto efficiente, per generare idrogeno, un altro vettore energetico, e poi riconvertirlo nuovamente in elettricità per l'uso? In altre parole, l'elettricità è così preziosa come l'elettricità, il nostro vettore energetico più desiderabile, che potremmo non volerla usare per altro. Ciò è particolarmente vero se l'elettricità è prodotta dal fotovoltaico. Il fotovoltaico come fonte di energia corrisponde al carico di picco dell'aria condizionata delle utenze nazionali. È molto meglio usare l'elettricità fotovoltaica come elettricità poiché è troppo dispendioso per usarla altrimenti.
Quando avrà senso ricavare idrogeno dall'elettricità generata dal sole? La risposta è che vorremmo produrre idrogeno ogni volta che l'elettricità non può essere utilizzata - non di punta in aree remote e durante le variazioni stagionali. L'idrogeno eolico, idroelettrico, geotermico o qualsiasi altra forma di elettricità generata dal sole è prezioso quando la risorsa non corrisponde al profilo di carico della rete elettrica.
Se l'elettricità solare tramite cella a combustibile per elettrolisi FV non ha senso, che dire dell'idrogeno elettrolitico FV? In effetti, la maggior parte della discussione sull'elettrolisi fotovoltaica riguarda la produzione di idrogeno da utilizzare come carburante per autoveicoli. Ancora una volta, questo scenario non sembra essere praticabile. Consideriamo il caso di una stazione di rifornimento di idrogeno che eroga 1.000 galloni di benzina al giorno, circa la metà della media nazionale. Nota che un gallone di benzina contiene quasi la stessa quantità di energia di un chilogrammo (kg) di idrogeno. Pertanto, una stazione di rifornimento richiederà circa 1.000 kg di idrogeno al giorno. Utilizzando il potere calorifico inferiore dell'idrogeno, l'energia elettrica necessaria per generare un kg di idrogeno è di 51 kWh (utilizzando un'efficienza dell'elettrolizzatore del 65%). Ciò significa che 1.000 kg/giorno di idrogeno richiederanno 51.000 kWh al giorno di elettricità. La quantità di FV necessaria per fornire 51.000 kWh può essere stimata dividendo i kWh per 5 ore/giorno. Pertanto, saranno necessari 10.200 kWp o 10,2 megawatt di potenza FV per il funzionamento di una stazione di rifornimento di idrogeno da 1000 kg/giorno. Si noti che 1 kWp richiede circa 10 metri quadrati di area per il fotovoltaico con un'efficienza del 10%.
La seconda categoria, la scissione solare diretta dell'acqua, si riferisce a qualsiasi processo in cui l'energia solare viene utilizzata direttamente per produrre idrogeno dall'acqua senza passare attraverso la fase intermedia di elettrolisi. Esempi inclusi:
scissione fotoelettrochimica dell'acqua: questa tecnica utilizza elettrodi semiconduttori in una cella fotoelettrochimica per convertire l'energia luminosa in energia chimica dell'idrogeno. Esistono essenzialmente due tipi di sistemi fotoelettrochimici: uno che utilizza semiconduttori o coloranti e un altro che utilizza complessi di metalli disciolti.
fotobiologico – questi comportano la generazione di idrogeno da sistemi biologici utilizzando la luce solare. Alcune alghe e batteri possono produrre idrogeno in condizioni adeguate. I pigmenti nelle alghe assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono come catalizzatori per dividere l'acqua nei suoi costituenti idrogeno e ossigeno.
cicli termochimici ad alta temperatura: questi cicli utilizzano il calore solare per produrre idrogeno mediante scissione dell'acqua mediante passaggi termochimici.
gassificazione della biomassa: utilizza il calore per convertire la biomassa in un gas sintetico ricco di idrogeno.
I processi fotoelettrochimici e fotobiologici sono quelli che devono essere sviluppati per soddisfare il fabbisogno energetico a lungo termine. Oggi i sistemi's sono meno efficienti dell'1% (da solare a idrogeno) e devono raggiungere efficienze molto più elevate per essere economici. Inoltre, non ci sono installazioni su larga scala di nessuna delle due tecnologie.
I cicli termochimici ad alta temperatura possono raggiungere efficienze eccellenti (superiori al 40 percento), ma devono utilizzare ricevitori/reattori solari concentrati in grado di raggiungere temperature superiori a 800º C. È stata studiata una grande varietà di cicli termochimici. (Vedi Produzione di idrogeno mediante cicli di scissione dell'acqua solare termochimica).
La gassificazione della biomassa utilizza il calore per trasformare la biomassa (legno, erba o rifiuti agricoli) in un gas sintetico. La composizione dei gas dipende dal tipo di materia prima, dalla presenza di ossigeno, dalla temperatura della reazione e da altri parametri. I gassificatori a biomassa sono stati sviluppati come reattori a letto fisso, a letto fluido e a letto trascinato.
