Prospettive di sviluppo dell'energia solare-idrogeno

Il processo tradizionale di combustione di combustibili organici, che costituisce la base per ottenere energia termica ed elettrica, è una delle principali cause di inquinamento atmosferico con sostanze nocive per l'uomo e per l'ambiente. Ciò provoca inoltre un aumento del contenuto di gas serra nell'atmosfera, con conseguente aumento della temperatura globale del pianeta. Si verifica quindi un inevitabile cambiamento nel clima, negli habitat di varie specie animali, nei confini delle foreste, nelle zone di permafrost, ecc. [1]. Nel 2018, il cambiamento climatico ha causato più di 300 disastri naturali (il 93% dei quali sono stati tempeste, incendi boschivi, carestie e siccità), colpendo più di 68 milioni di persone. e ha causato danni economici enormi pari a circa 131,7 miliardi di dollari [2]. Un altro problema altrettanto importante è rappresentato dalle riserve limitate di combustibili tradizionali e dalla crescita costante del loro consumo. L'ulteriore impoverimento delle risorse fossili porterà gradualmente a un aumento del loro costo, che in ultima analisi causerà nuovi problemi per lo sviluppo dell'industria e della società. Tali sfide hanno suscitato un grande interesse verso le fonti di energia rinnovabile (FER), che possono rappresentare una soluzione ai problemi emersi. Allo stesso tempo, per raggiungere la neutralità carbonica, la quota globale di fonti energetiche rinnovabili, secondo le previsioni dei ricercatori, dovrebbe aumentare dal 14 al 74% dal 2018 al 2050.

Considerando l'energia rinnovabile nel suo complesso, possiamo identificare 5 gruppi principali: energia solare, energia idroelettrica, energia eolica, energia geotermica e utilizzo di biocarburanti. Allo stesso tempo, gli impianti utilizzati sulla base di tale energia primaria hanno le proprie caratteristiche operative, che sono determinate, tra l'altro, dalla loro ubicazione [3]. Da un punto di vista pratico, l’utilizzo dell’energia solare da sola può soddisfare pienamente il fabbisogno di energia elettrica e termica dell’umanità, il che rende questo settore delle energie rinnovabili il più promettente per la ricerca [4].

Nel contesto dell'umanità, il Sole rappresenta una fonte di energia gratuita e inesauribile. Attualmente, questo ramo delle energie rinnovabili si sta sviluppando rapidamente (Fig. 1) [2].

Considerando solo la generazione di energia solare basata sull'uso di convertitori fotovoltaici, notiamo due tendenze principali nello sviluppo di questa tecnologia: la riduzione del costo delle celle solari (per raggiungere una maggiore competitività) e l'aumento dell'efficienza di funzionamento (per ridurre le dimensioni complessive degli impianti e il costo del sistema di energia solare) [5]. Attualmente, il tipo di pannello solare più diffuso è quello al silicio, il più rappresentato sul mercato moderno. Tuttavia, lo sviluppo dell'energia solare ha portato alla nascita di un gran numero di altri tipi di celle solari, che solitamente vengono classificate in tre generazioni a seconda dei materiali utilizzati per la loro fabbricazione. Per una descrizione più dettagliata della classificazione esistente si rimanda a [6–9]. La prima generazione comprende celle solari in silicio monocristallino, facilmente distinguibili per la colorazione uniforme e la forma (celle rettangolari con angoli smussati). Un altro tipo è costituito dai pannelli policristallini, costituiti da molti cristalli singoli e caratterizzati da un aspetto rettangolare con bordi non arrotondati. Questa generazione comprende anche pannelli a base di arseniuro di gallio; sono più efficienti, ma a causa della presenza di sostanze costose, rare e tossiche, non sono molto utilizzati. Tuttavia, la produzione di celle solari al silicio è una tecnologia relativamente costosa, per cui è iniziata la ricerca di metodi più economici per produrre convertitori di energia solare.

La soluzione a questo problema sono stati i convertitori di seconda generazione, che comprendono vari tipi di celle solari a film sottile. A loro volta, vengono classificate in base al materiale fotovoltaico con cui è rivestito il substrato: celle solari al tellururo di cadmio (CdTe), al silicio amorfo (a-Si), al diseleniuro di rame indio (CIS), al rame indio gallio selenio (CIGS). Questi pannelli solari sono più economici da produrre, hanno una struttura flessibile e sono meno soggetti all'ombreggiamento e alle temperature elevate. Tuttavia, il loro principale svantaggio è la loro efficienza relativamente bassa, che ha portato a vari sviluppi della terza generazione di celle solari.

La terza generazione comprende pannelli solari tandem, nonché nuovi tipi di convertitori come le celle solari sensibilizzate ai coloranti; celle solari a punti quantici; pannelli solari perovskite; pannelli solari organici; Celle solari al solfuro di rame, zinco e stagno (CZTS). Le prospettive di sviluppo di questa generazione sono legate allo sviluppo di una tecnologia a lungo termine che sia economicamente sostenibile per la produzione su larga scala di energia elettrica basata su materiali ecocompatibili e di accesso illimitato. I loro numerosi vantaggi possono essere giustificati dagli investimenti e dalla ricerca internazionali volti ad aumentare l'efficienza, ridurre i costi e aumentare la produzione su larga scala. Una ricerca aggiornata del National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti ci consente di tracciare lo sviluppo di tutte le generazioni di celle solari sopra descritte dal 1975 al 2024. (Fig. 2) [8].

Dalla Fig. 2 si evince che l'efficienza dei convertitori fotovoltaici aumenta ogni anno, mentre la superficie dei moduli stessi diminuisce. Le celle solari multi-giunzione hanno attualmente la più alta efficienza (oltre il 48%). È possibile notare anche il rapido sviluppo di nuovi tipi di convertitori fotovoltaici di terza generazione (FV emergenti). L'integrazione di fonti di energia rinnovabile basate su tali dispositivi nella rete elettrica esistente è associata a una serie di problemi che devono essere risolti per garantire la stabilità, l'affidabilità e l'efficienza del suo funzionamento. Il problema principale è che la fornitura di energia solare non è costante e quindi la potenza dell'impianto solare può variare notevolmente a seconda delle condizioni meteorologiche e di altri fattori. Inoltre, più fonti di energia rinnovabile vengono integrate nella rete, più difficile è garantire la stabilità del sistema energetico.

Una possibile soluzione al problema individuato potrebbe essere l'impiego di sistemi di accumulo di energia e l'implementazione di algoritmi di prenotazione della capacità basati su di essi. In questo ambito, vale la pena sottolineare in particolar modo l'energia dell'idrogeno, che ha un grande potenziale per risolvere il problema.

L'idrogeno è attualmente preso in considerazione come soluzione per la decarbonizzazione di vari settori industriali, grazie ai suoi vantaggi come combustibile ecologico. Una volta bruciato, non produce emissioni di anidride carbonica, il che lo rende uno strumento importante per lo sviluppo di un'economia a basse emissioni di carbonio. Inoltre, ha un elevato calore di combustione in massa, che è quasi 3 volte superiore a quello della benzina, ed è facilmente infiammabile [10]. L'idrogeno, prodotto utilizzando fonti energetiche rinnovabili basate sull'elettrolisi dell'acqua, è solitamente classificato come idrogeno "verde". Questa tecnologia aiuta ad unire vari settori dell’economia con fonti di energia rinnovabili, e lo sviluppo generale dell’energia alternativa e delle sue tecnologie di produzione riduce gradualmente il costo di tale idrogeno “verde” (Fig. 3) [11].

Nonostante l’elevato costo della produzione dell’idrogeno come combustibile [12], il concetto di energia combinata solare-idrogeno sta guadagnando sempre più popolarità. Questo sistema propone di convertire parte dell'energia solare in entrata nella produzione di idrogeno, con la possibilità di utilizzare sia l'energia solare sia l'idrogeno immagazzinato come combustibile. Il vantaggio di questo metodo è la possibilità di accumulo intermedio di energia solare per coprire il carico durante le ore non soleggiate utilizzando la tecnologia “Power-to-gas” (P2G) [13]. La tecnologia P2G sfrutta la conversione dell'energia elettrica in energia chimicamente legata sotto forma di una sostanza gassosa (solitamente idrogeno o metano) che, a differenza dell'energia elettrica, è adatta allo stoccaggio e al successivo utilizzo. Allo stesso tempo, questa tecnologia consente di ridurre la necessità di gas naturale per diversi impianti di consumo. Vale la pena notare che il metano può essere ottenuto anche dall'idrogeno accumulato secondo la reazione di Sabatier (formula 1) [14].

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O

Nel contesto dello sviluppo del concetto designato di energia solare-idrogeno, è possibile evidenziare alcuni progetti di successo che sono stati implementati di recente. Tra questi: FH2R (Fig. 4, a) – il più grande impianto di produzione di idrogeno in Giappone (ha un impianto di produzione di idrogeno da 10 MW, che utilizza pannelli solari per la generazione) e l’impianto Sinopec in Cina (Fig. 4, b), che è in grado di produrre 600 milioni di kWh all’anno (utilizzando impianti di energia solare) [15].

Anche in Russia si sta svolgendo attivamente la ricerca in questo ambito, ma con un leggero spostamento dell'attenzione verso l'utilizzo dell'energia primaria per la produzione di idrogeno. Secondo le informazioni pubblicate il 17 aprile 2024 sul sito web dell'Ufficio di Dispaccio Centrale del Complesso Combustibili ed Energia, la Federazione Russa intende occupare il 20% del mercato globale dell'idrogeno entro il 2030. Allo stesso tempo, si segnala che i principali prerequisiti per lo sviluppo dell'energia a idrogeno saranno la decarbonizzazione e la transizione verso fonti a zero emissioni di carbonio. In questo contesto, il Ministero dell'Energia russo parla della necessità di sviluppare tecnologie nazionali nel campo dell'energia dell'idrogeno, nonché di garantire la competitività dell'economia del Paese nel contesto della transizione energetica globale. Si segnala che nella regione di Kaliningrad è prevista la produzione di idrogeno "verde" utilizzando energia rinnovabile basata sulla conversione dell'energia eolica. Vale la pena prestare attenzione alla dichiarazione di LUKOIL, che prevede di produrre idrogeno "verde" nella regione di Krasnodar in una quantità fino a 13 tonnellate all'anno. Allo stesso tempo, non viene riportato quale tipo di energia verrà utilizzata per questo scopo [16]. Considerando che l'energia solare nella struttura del bilancio energetico delle fonti energetiche rinnovabili per il nostro Paese non è sviluppata come, ad esempio, l'energia idroelettrica o eolica, è difficile nominare un'esistente produzione su larga scala di idrogeno "verde" basato sull'energia solare, sebbene esista un notevole potenziale tecnico per questo, simile ai progetti esteri precedentemente considerati. Questo fatto attualizza il tema della questione in esame circa l’opportunità di riservare la capacità degli impianti fotovoltaici nel contesto della produzione di idrogeno “verde”.

Un tipico sistema combinato solare-idrogeno connesso alla rete (Figura 5) è costituito da un impianto solare fotovoltaico, un elettrolizzatore dell'acqua, un serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno gassoso e una cella a combustibile. Le uscite dell'impianto fotovoltaico e delle celle a combustibile sono collegate a convertitori per trasformare la corrente elettrica nella forma richiesta dal carico. L'energia fotovoltaica in eccesso viene immessa in un elettrolizzatore per generare idrogeno "verde", che viene poi immagazzinato in uno speciale serbatoio pressurizzato per un utilizzo di riserva. L'idrogeno gassoso immagazzinato viene poi convertito in energia elettrica dalla cella a combustibile per soddisfare le esigenze di carico nelle ore in cui la generazione fotovoltaica non è disponibile. Per mantenere l'equilibrio energetico tra produzione e consumo, la rete elettrica può connettersi solo per coprire i carichi residui non soddisfatti dalla produzione di energia rinnovabile da impianti fotovoltaici e celle a combustibile. Pertanto, la configurazione combinata proposta può garantire la sicurezza del consumo energetico e l’affidabilità del funzionamento del sistema elettrico, aumentando al contempo il volume di fornitura di energia verde e riducendo i requisiti di approvvigionamento di energia elettrica dalla rete [17].

Un esempio di sistema autonomo combinato solare-idrogeno è illustrato nella Figura 6. Durante il giorno, le fonti di energia disponibili per l'abitazione sono l'energia solare proveniente da una serie di pannelli solari fotovoltaici e l'energia proveniente da una pila di celle a combustibile che consuma idrogeno da un serbatoio di idrogeno durante il funzionamento. Quando è disponibile l'energia solare, l'idrogeno viene prodotto tramite un elettrolizzatore. Dopo il tramonto, in questo caso, la pila di celle a combustibile rimane l'unica fonte di energia disponibile in un sistema ibrido di questo tipo [18].

Un progetto di successo implementato in questa direzione garantisce già un approvvigionamento energetico autonomo al 100% per un edificio residenziale [19]. L'intero tetto dell'edificio è ricoperto da pannelli fotovoltaici con una potenza elettrica installata di 20 kW e una produzione annua di circa 20 kWh. L'energia elettrica immagazzinata in estate sotto forma di idrogeno viene consumata in inverno dalle celle a combustibile. L'idrogeno viene immagazzinato in appositi serbatoi a una pressione di 32 bar. Grazie a questo sistema è possibile garantire la completa autonomia dell'edificio residenziale.

Attualmente si registra un crescente interesse per le fonti energetiche rinnovabili, dovuto alla volontà di decarbonizzare la produzione di energia e di ridurre la quota di consumo di risorse derivanti da idrocarburi. L'analisi di numerose fonti di informazione ha dimostrato che tra le diverse fonti rinnovabili, l'energia solare ha un elevato tasso di sviluppo e che il costo di produzione dell'elettricità mediante convertitori fotovoltaici sta diminuendo ogni anno e si sta gradualmente avvicinando a quello dell'energia idroelettrica. Tali successi sono dovuti in larga parte all'ottimizzazione tecnica delle tecnologie fotovoltaiche, che ha permesso di aumentare significativamente l'efficienza dei convertitori fotovoltaici fino a quasi il 49%.

Nel contesto della risoluzione del problema della riserva di capacità elettrica delle centrali fotovoltaiche e del riorientamento verso l'energia dell'idrogeno, sempre più diffusa, la cui strategia di sviluppo è stata approvata da molti paesi del mondo moderno, l'uso dell'idrogeno come metodo di accumulo di energia sta acquisendo una grande importanza pratica. L'analisi di progetti pilota di questa natura ci consente di affermare che l'idea del backup dell'idrogeno non ha solo una base teorica, ma anche un'applicazione pratica. Il principale fattore limitante per ora è il costo di implementazione di tali soluzioni.