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Continuous-flow Photoelectrochemical Cells for Carbon Dioxide Valorization

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Una svolta nei combustibili solari promette l’avvento di una nuova era industriale

Le tecnologie dei combustibili solari potrebbero un giorno trasformare l’anidride carbonica, uno dei principali gas a effetto serra, in una materia prima industriale utile. Ciò potrebbe aiutarci ad abbandonare i combustibili fossili e ad andare verso il raggiungimento di un’economia veramente circolare.

Energia

La nostra economia basata sui combustibili fossili non è sostenibile. L’energia e le sostanze chimiche che produciamo a partire dal petrolio e dal gas naturale continuano a emettere nell’atmosfera miliardi di tonnellate di anidride carbonica (CO2) ogni anno, il che contribuisce ai cambiamenti climatici. Affinché sia possibile effettuare una transizione verso un’economia basata sui principi della circolarità e della sostenibilità, abbiamo disperatamente bisogno di sviluppare tecnologie alternative che consentano di sfruttare le fonti di energia rinnovabile. Tali soluzioni, tuttavia, non devono solo garantire l’ecocompatibilità, ma anche essere in grado di funzionare su scala industriale e risultare sostenibili dal punto di vista economico. Un’area di ricerca rivelatasi molto promettente è quella relativa alla generazione di sostanze chimiche in grado di fungere da combustibili solari. Si tratta dell’applicazione di luce artificiale o naturale per convertire molecole, come ad esempio la CO2, in sostanze chimiche ad alta energia. Se questa tecnologia fosse un giorno sviluppabile su scala industriale, essa sarebbe in grado di liberarci dalla nostra dipendenza dai combustibili fossili e di convertire la CO2 in una materia prima utile.

Individuare prototipi validi

Il progetto PEC_Flow, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, si è basato su un’iniziativa precedente chiamata HybridSolarFuels in cui sono stati sviluppati fotoelettrodi concepiti per la conversione della CO2 in sostanze chimiche quali l’acido formico, il monossido di carbonio, il metanolo e l’etanolo. PEC_Flow ha cercato di far compiere un passo in avanti a questa ricerca. L’obiettivo del progetto era individuare le celle a fotoelettrodi più efficienti sotto il profilo tecnologico e sostenibili da quello economico in grado di produrre sostanze chimiche su base continuativa. Se l’esito sarà positivo, ciò potrebbe contribuire a stabilire la direzione futura di quest’area di ricerca di fondamentale importanza. «A tal fine abbiamo raffrontato diversi tipi di celle fotoelettrochimiche», spiega Csaba Janáky, coordinatore del progetto e docente presso l’Università di Seghedino in Ungheria. «Volevamo valutarle non solo da un punto di vista tecnologico e scientifico, ma anche da una prospettiva economica.» Janáky e il suo team si sono pertanto prefissi di raccogliere dati ed effettuare analisi in merito a diverse tipologie di celle. Dopo aver completato un’esame approfondito, da quattro diverse configurazioni di celle si è scesi a due e successivamente è stata effettuata un’analisi dettagliata a livello tecnoeconomico, in cui si è proceduto all’analisi di questioni quali il potenziale di mercato e quello di investimento. «Alla fine, siamo rimasti con una sola configurazione», afferma Janáky. «In questo prototipo, la cella solare è stata separata dal componente dell’elettrolizzatore. Secondo quanto indicato dai nostri risultati, questa soluzione dispone delle potenzialità per risultare molto più competitiva economicamente rispetto a una soluzione integrata, prendendo in considerazione le tecnologie attualmente più avanzate.»

Processi industriali futuri

I risultati del progetto PEC_Flow suggeriscono pertanto che il percorso più fattibile per lo sviluppo di tecnologie di conversione della CO2 guidate dal solare e valide a livello industriale al momento è quello di separare la cella fotovoltaica dall’elettrolizzatore. Un aspetto altrettanto importante, tuttavia, riguarda il fatto che il progetto ha inoltre contribuito a individuare le lacune da colmare in termini di conoscenze e tecnologie, se vogliamo un giorno sviluppare celle fotoelettrochimiche integrate efficienti. «Ciò è importante in quanto, nei prossimi decenni, avremo bisogno di molteplici tecnologie parallele per l’uso della CO2», osserva Janáky. Sono svariati i settori che potrebbero in futuro trarre grandi vantaggi da tali progressi nelle tecnologie dei combustibili solari. L’industria chimica, ad esempio, che produce molte emissioni, potrebbe impiegare i sistemi fotoelettrochimici per catturare la CO2 e convertirla in prodotti utili. Le prossime fasi comprendono una collaborazione con partner industriali su questo approccio separato e una preparazione graduale alla commercializzazione. «Questo passaggio dovrebbe prevedere l’assemblaggio di un prototipo su piccola scala che potrebbe successivamente essere ampliato», aggiunge Janáky. Si continueranno inoltre a realizzare ulteriori attività di ricerca fondamentale per affrontare le difficoltà di tipo scientifico e tecnologico che ostacolano lo sviluppo delle cellule fotoelettrochimiche integrate.

Parole chiave

PEC_Flow, solare, combustibile, CO2, gas a effetto serra, combustibili fossili, energia, sostanze chimiche, sostenibilità

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