Il fotovoltaico è sicuramente una delle tecnologie rinnovabili più avanzata e diffusa, il suo pluriennale utilizzo ha consentito di mettere in luce i suoi grandi vantaggi, ma anche i suoi inevitabili limiti. Come è ben noto, il più grande vincolo delle fonti energetiche rinnovabili è dovuto al loro essere direttamente legate alla incontrollabile disponibilità della fonte di riferimento. Non vi potrà quindi essere produzione fotovoltaica in una giornata grigia e buia, come non ci sarà produzione eolica in caso di carenza di vento.

L’obiettivo comune è naturalmente quello di sviluppare tecnologie che permettano di conservare l’energia prodotta in eccesso, cioè non consumata immediatamente, per poterla poi sfruttare in un secondo momento (di notte o in giornate con produttività carente) per alimentare le utenze per le quali altrimenti sarebbe necessario ripiegare sull’energia derivante dalla rete.

La diffusione dei sistemi di storage fotovoltaico avvenuta negli ultimi anni conferma il desiderio di molti proprietari di impianti di essere totalmente autonomi dalla rete elettrica e di utilizzare unicamente energia da fonti green per le proprie utenze. Tuttavia la maggior parte dei prodotti per l’accumulo fotovoltaico attualmente utilizzati si compongono di batterie che, inevitabilmente, hanno una vita operativa limitata, un’efficienza decrescente ed un impatto ambientale considerevole.

Partendo da questo presupposto la ricerca scientifica e le aziende operanti nel settore delle rinnovabili hanno tentato di sfruttare altre tecnologie e altri elementi per poter superare i classici sistemi di storage a batteria, arrivando oggi a testare sia in ambito residenziale, sia in ambito industriale, degli innovativi progetti per l’accumulo a idrogeno.

Il vantaggio principale dell’idrogeno come mezzo di accumulo, rispetto alle classiche batterie, consiste nella possibilità di conservane grandi quantità per lunghi periodi. L’energia elettrica in eccesso prodotta da un impianto fotovoltaico può infatti essere utilizzata per generare idrogeno, ricavato dall’acqua, attraverso un processo di elettrolisi prodotto da una cella elettrolitica (elettrolizzatore), e conservata in uno spazio decisamente inferiore rispetto a quello che richiederebbero delle batterie al litio, a parità di kW.

L’elettrolisi dell’acqua per l’accumulo fotovoltaico

Il processo di elettrolisi comporta una scissione chimica che permette di dividere gli elementi compositivi dell’acqua (H2O), in idrogeno (H2) e ossigeno (O), ed è utilizzato comunemente da oltre 80 anni per scopi industriali che esulano lo storage energetico.

Perché questo processo di scissione possa avvenire è necessario utilizzare energia elettrica in misura pari a quella contenuta dall’idrogeno. Se però la divisione dell’idrogeno e dell’ossigeno richiede energia, la riunificazione dei due elementi, ottenibile con l’impiego di una cella a combustione, produce energia utile.

È questo il motivo per cui l’elettrolisi dell’acqua in idrogeno si presta in modo ideale all’accumulo energetico.

Come avviene l’elettrolisi?

Per decomporre l’acqua nelle sue componenti H2 e O si utilizzano apparecchi in grado di realizzare processi di elettrolisi: le celle elettrolitiche.
All’interno di questi strumenti è contenuta l’acqua (per la precisione si tratta di una soluzione acquosa di idrossido di sodio che è caratterizzata da proprietà elettriche migliori dell’acqua), all’interno della quale sono immersi due elettrodi collegati a un generatore di corrente che, nel nostro caso, deriva dall’impianto fotovoltaico.

Il collegamento a una fonte energetica fa sì che tra gli elettrodi si formi un campo magnetico che costringe gli ioni contenuti nell’acqua a cambiare la propria posizione secondo uno schema preciso: gli ioni di carica positiva si spostano verso l’elettrodo legato al polo negativo, mentre gli ioni di carica negativa si spostano verso l’elettrodo collegato al polo positivo.

Una volta arrivati all’elettrodo che li attrae, gli ioni perdono o acquistano elettroni, giungendo così a uno stato neutro e si accumulano come segue: H2 (idrogeno) dalla parte dell’elettrodo con polo positivo, e O (ossigeno) dalla parte dell’elettrodo con polo negativo. Per il mantenimento di questa condizione sarebbe necessario mantenere un’alimentazione continua, motivo per cui tecnicamente le fonti rinnovabili non sarebbero idonee a questo scopo, ma gli elettrizzatori moderni sono stati progettati per avere un comportamento dinamico e adattarsi al flusso discontinuo di energia.

Impianto fotovoltaico con accumulo a idrogeno

Stabilite le grandi potenzialità dell’idrogeno nella conservazione dell’energia fotovoltaica in eccesso, elenchiamo gli apparecchi necessari a comporre un sistema completo:

  • Moduli fotovoltaici;
  • Elettrizzatore;
  • Cella combustibile;
  • Generatore o gruppo di batterie di backup;
  • Interfacce elettroniche di potenza per la modulazione della tensione, della frequenza e delle altre esigenze di utilizzo;
  • Sistema di misura e monitoraggio dell’impianto.

Da un punto di vista funzionale un elettrizzatore piccolo o medio piccolo può arrivare a produrre 1 metro cubo (1.000 litri) di gas in circa 6 ore e con questa quantità di idrogeno è possibile, ad esempio, alimentare per 3 ore una stufa a propano che sfrutta direttamente gas a bassa pressione e un processo di combustibile catalitico.

Un ulteriore possibile vantaggio della produzione locale di idrogeno da energia rinnovabile è strettamente legato al settore della mobilità. C’è infatti una porzione di mercato legata al trasporto green che potrebbe trarre numerosi benefici dalla possibilità di produzione autonoma di idrogeno sostenibile, tra cui la riduzione della dipendenza dalle poche stazioni di rifornimento ancora disponibili e, naturalmente, dall’annullamento delle emissioni di CO2 e altri agenti inquinanti prodotti dalle auto a combustibili fossili che, grazie all’H2, vengono sostituite da semplice vapore acqueo.

Limiti attuali dello storage a idrogeno

Le tecnologie di accumulo energetico a idrogeno dimostrano di avere grandi potenzialità, motivo per cui la ricerca continua ad approfondire progetti e sperimentazioni in tema. Al livello tecnologico attuale però gli storage di questo tipo hanno dimostrato di avere un’efficienza decisamente inferiore rispetto alle batterie, si parla ad esempio di 50% di efficienza per un piccolo elettrizzatore e del 67% per un apparecchio di scala industriale. Un altro fattore limite è poi rappresentato dal costo di questa tecnologia che, nonostante sia relativamente semplice, non è ancora matura e competitiva.

La futura evoluzione delle tecnologie che permettono l’accumulo dell’energia fotovoltaica in forma di idrogeno, se stimolata e finanziata nel modo più idoneo, potrebbe ad ogni modo arrivare a favorirne il diffondersi sul mercato e, forse, causare a una piccola rivoluzione nel modo che oggi conosciamo di produrre e sfruttare l’energia da fonti rinnovabili.

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