Che cos'è la spaccatura dell'acqua?

La scissione dell'acqua è il processo di scomposizione del composto chimico dell'acqua nei suoi elementi costitutivi di idrogeno e ossigeno. Esistono molti approcci alla scissione dell'acqua, il più comune dei quali è l'elettrolisi, in cui una corrente elettrica viene fatta passare attraverso l'acqua per produrre idrogeno e ioni ossigeno. Sebbene molti metodi di scissione dell'acqua non siano efficienti dal punto di vista energetico in termini di energia richiesta per separare idrogeno e ossigeno dall'acqua rispetto all'energia che può essere derivata successivamente dall'idrogeno puro per il carburante, il processo è comunque visto come una potenziale alternativa alla sostituzione di un dipendenza dai combustibili fossili. Le applicazioni che utilizzano energia solare e nuovi catalizzatori chimici per dividere l'acqua offrono un metodo promettente per produrre guadagni netti di energia rinnovabile senza produrre emissioni di gas serra o altri inquinanti nel processo.

La scissione dell'acqua fotocatalitica usando l'energia della luce o usando altre fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica, viene ora impiegata per generare corrente elettrica in nuove forme di elettrolisi. L'obiettivo è quello di creare un sistema di scissione dell'acqua interamente alimentato da fonti di energia rinnovabile, come la luce solare, rendendo la produzione di idrogeno competitiva rispetto ai combustibili fossili. La sfida nel processo è stata quella di sviluppare elettrodi realizzati con materiali economici e durevoli. Si è scoperto che i composti di cobalto e nichel borato offrono una maggiore efficienza e sono economici e facili da fabbricare. Sebbene questi nuovi composti di elettrodi siano sicuri nei sistemi di produzione di combustibile solare commerciali, non possono ancora competere con l'efficienza dei metodi di elettrolisi industriale che utilizzano composti alcalini pericolosi come soluzioni di elettroliti.

I meccanismi di scissione dell'acqua che offrono le maggiori promesse in termini di guadagno energetico si basano sul processo di fotosintesi che le piante usano per convertire la luce solare in energia chimica. Mentre i sistemi naturali per questo sono sistemi molto lenti e artificiali che lo imitano inizialmente avevano un'efficienza inferiore all'1% quando la ricerca è iniziata nel 1972 in Giappone, i nuovi processi stanno aumentando i livelli di produzione di idrogeno. Nel 2007 i ricercatori giapponesi hanno iniziato a rivestire elettrodi in silicio microcristallino idrogenato con nanoparticelle di platino, aumentando ulteriormente la stabilità e la durata degli elettrodi e la loro capacità catalitica di scissione dell'acqua.

Ricerche simili presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) negli Stati Uniti hanno come obiettivo tassi di conversione dell'efficienza da solare a idrogeno del 14% nel 2015 con una maggiore durata degli elettrodi da 1.000 ore nel 2005 a 20.000 ore nel 2015. Man mano che questa efficienza aumenta, il costo corrispondente per la produzione di carburanti a idrogeno diminuisce, con un costo in dollari statunitensi (USD) per chilogrammo ($ / kg) per la produzione di H ₂ nel 2005 a $ 360 / kg fino a $ 5 / kg nel 2015. Anche a questo livello, la scissione dell'acqua per produrre idrogeno è ancora da tre a dieci volte più costosa rispetto alla generazione di carburanti a base di idrogeno dalla riforma del gas naturale. La ricerca ha ancora una certa distanza da percorrere prima di essere competitiva economicamente con il settore energetico stabilito.