Sostenibilità

Idrogeno e acqua dolce dall’acqua di mare? Una soluzione solare emerge

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Rispondere alla domanda di acqua e idrogeno

Tra le risorse più richieste in molte regioni del mondo con popolazioni in crescita c’è l’acqua dolce. Questo è un problema in aumento e potenzialmente un fattore di instabilità geopolitica, con, ad esempio, la discussione su chi può utilizzare le acque del fiume Nilo, quasi portando Egitto ed Etiopia alla guerra.

Mentre i metodi di desalinizzazione stanno diventando più comuni, sono molto energivori, e anche la diffusione massiva di pannelli solari spesso non è sufficiente.

Un’altra cosa di cui abbiamo bisogno è più energia rinnovabile in una forma che possa essere immagazzinata e utilizzata come combustibile per attrezzature pesanti e industrie. In teoria, l’idrogeno sarebbe una buona opzione, ma finora non è stato possibile distribuirlo su larga scala a causa dei costi troppo elevati.

Anche qui l’energia solare può aiutare, ma il costo della produzione di idrogeno tramite elettrolisi ne ha limitato l’uso.

Sembra che entrambi i problemi possano essere affrontati simultaneamente da una nuova tecnologia di elettrolisi alimentata da energia solare, che utilizza non acqua dolce, ma acqua di mare. Produce persino acqua dolce come sottoprodotto della generazione di idrogeno.

È stata inventata da ricercatori della Johns Hopkins University, della Michigan State University, della Cornell University, della Lehigh University e del MIT, che hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Energy & Environmental Science, con il titolo “Produzione di idrogeno verde alimentata da energia solare con oltre il 12% di efficienza dall’acqua di mare”.

Rendere l’acqua di mare utile

L’acqua di mare è forse la risorsa più abbondante sulla Terra, coprendo il 70% della superficie del pianeta. È anche facilmente accessibile per la maggior parte della popolazione mondiale, poiché più del 40% vive entro 100 km (62 miglia) dalla costa più vicina, e più del 50% entro 200 km (124 miglia).

“Ecco perché abbiamo ideato questa tecnologia. Abbiamo pensato: “Ok, qual è la risorsa più abbondante sulla Terra?” Il sole e l’acqua di mare sono fondamentalmente risorse infinite e anche gratuite.”
Lenan Zhang – Professore assistente at Cornell Engineering

Sfortunatamente, l’acqua di mare è salata e inadatta sia al consumo umano sia all’irrigazione delle colture. Per questo motivo si stanno valutando forniture alternative di acqua dolce nelle regioni aride, come la raccolta di acqua atmosferica o un migliore trattamento delle acque reflue.

Tuttavia, la desalinizzazione è probabilmente l’unica soluzione durevole su larga scala per fornire acqua abbondante a molti paesi. Poiché questi paesi si trovano spesso in regioni soleggiate, la desalinizzazione alimentata da energia solare, sia tramite membrane ioniche sia mediante evaporazione diretta, è una soluzione potenziale. Tuttavia, i costi fissi di questi sistemi rendono la produzione di acqua piuttosto costosa.

“Acqua ed energia sono entrambe indispensabili per la nostra vita quotidiana, ma tipicamente, se vuoi produrre più energia, devi consumare più acqua.

D’altro canto, abbiamo bisogno di acqua potabile, perché due terzi della popolazione globale stanno affrontando la scarsità d’acqua.

”
Lenan Zhang – Professore assistente at Cornell Engineering

Come nota a margine, l’acqua di mare non è nemmeno una fonte adatta per la generazione di idrogeno, che richiede acqua ultra-pura (distillata).

Migliore utilizzo della luce solare

Finora, l’economia della desalinizzazione ha incontrato il problema che è necessario costruire grandi e costose strutture di raccolta solare cercando di produrre acqua al prezzo più basso possibile.

Ciò che i ricercatori di questo studio hanno fatto è stato far produrre a queste strutture qualcosa di più prezioso (idrogeno) producendo al contempo acqua.

In linea di principio, le installazioni fotovoltaiche possono utilizzare solo una parte dell’energia solare, poiché il 100% di efficienza è impossibile, e alcune lunghezze d’onda sono troppo corte o troppo lunghe per essere sfruttate dal silicio dei pannelli.

Ciò lascia molta energia solare sprecata nelle strutture fotovoltaiche. Peggio, questa energia solare genera calore, che riduce ulteriormente l’efficienza dei pannelli solari (la maggior parte dei progetti funziona al meglio sotto i 30 °C (86 °F)).

Fare tutto contemporaneamente

Poiché questi problemi sembrano impossibili da risolvere separatamente, almeno in modo economicamente competitivo, forse la soluzione è un approccio più olistico. È con questo concetto in mente che i ricercatori hanno considerato potenziali sinergie se lo stesso dispositivo produce contemporaneamente energia, idrogeno e acqua dolce, usando solo il sole e l’acqua di mare.

Il design che hanno concepito sembra risolvere ogni problema contemporaneamente, facendo sì che ogni limitazione di un sottoprocesso diventi la soluzione per un altro problema:

  • La produzione di idrogeno e acqua dolce avviene nello stesso dispositivo, per condividere i costi di capitale e utilizzare l’intero spettro solare.
  • L’acqua proviene dall’acqua di mare, eliminando le limitazioni di risorse per la produzione di idrogeno.
  • La produzione di acqua ultra-pura assorbe calore, mantenendo i pannelli solari freschi e aumentando la produzione di elettricità.
  • L’acqua di mare non entra mai in contatto con l’elettrocatalizzatore che produce idrogeno, eliminando problemi di corrosione e reazioni chimiche indesiderate.
  • Poiché l’energia è utilizzata direttamente per la produzione di idrogeno nello stesso dispositivo, non è necessario ricorrere a batterie, aggiornamenti della rete elettrica, ecc.

Produzione avanzata

Sebbene sembri semplice in teoria, gestire in modo efficiente tutte queste operazioni contemporaneamente è una vera sfida ingegneristica.

L’evaporatore e l’elettrolizzatore PEM sono separati da uno spazio d’aria, che evita il contatto diretto tra l’acqua di mare e gli elettrocatalizzatori.

Alcune altre caratteristiche sono state aggiunte per migliorare il design:

  • Utilizzare una stoppino capillare che intrappola l’acqua in un film sottile a diretto contatto con il pannello solare, permettendo di raffreddare il pannello solare mediante evaporazione.
  • Sfruttare l’effetto termico per aumentare la pressione di vapore, indispensabile per tassi di produzione più elevati di acqua distillata e generazione efficiente di idrogeno.
  • Utilizzare l’energia rilasciata dal cambiamento di fase vapore‑liquido per migliorare l’efficienza della produzione di idrogeno.
  • Utilizzare un flusso unilaterale di acqua di mare per evitare l’accumulo di sale, un problema permanente per tutti i sistemi di desalinizzazione.

Alla fine del processo, l’acqua di mare leggermente più salata può essere restituita al mare, e l’acqua distillata che non è stata trasformata in idrogeno può essere utilizzata come acqua potabile pulita.

“Il design è stato impegnativo perché c’è un gran numero di accoppiamenti complessi: desalinizzazione accoppiata con elettrolisi, elettrolisi accoppiata con il pannello solare, e il pannello solare accoppiato con la desalinizzazione tramite conversione e trasporto di energia solare, elettrica, chimica e termica.”
Lenan Zhang – Professore assistente at Cornell Engineering

Testare il prototipo

Durante i test del loro dispositivo ibrido di distillazione solare‑acqua‑elettrolisi (HSD‑WE), i ricercatori hanno scoperto che la piccola cella di 10 cm × 10 cm poteva produrre 200 ml di idrogeno all’ora, con un’efficienza energetica del 12,6%, direttamente dall’acqua di mare alla luce solare naturale.

Il test è stato eseguito all’aperto, con acqua di mare reale e condizioni meteorologiche realistiche, in particolare con tempo nuvoloso che ha ridotto la produzione di idrogeno in un certo momento della giornata.

Fattibilità economica

I ricercatori hanno calcolato quanta idrogeno sarebbe prodotta dal loro prototipo in varie località. Confrontato con la media attuale di $10/kg per l’idrogeno verde, è evidente che è molto più efficiente dopo il primo anno di funzionamento, scendendo a $5/kg con tre anni di operatività e $1/kg con 15 anni di operatività.

Ciò è dovuto al fatto che i costi tradizionali dell’idrogeno verde stanno rapidamente raggiungendo un plateau, limitati da costi energetici e di capitale.

In confronto all’elettrolizzatore classico, l’HSD‑WE è per lo più passivo e ottiene la sua energia direttamente dal sole, senza costi di capitale aggiuntivi per connessione, trasporto dell’acqua, stoccaggio, ecc.

“Vogliamo evitare le emissioni di carbonio, evitare l’inquinamento. Nel frattempo, ci preoccupiamo anche dei costi, perché più i costi sono bassi, maggiore è il potenziale di mercato per l’adozione su larga scala. Crediamo che ci sia un enorme potenziale per future installazioni.”
Lenan Zhang – Professore assistente at Cornell Engineering

Azienda che risolve la carenza d’acqua

XYL Grafico dei prezzi

Insieme a Veolia, azienda europea, Xylem è un leader globale nella purificazione dell’acqua, nel trattamento delle acque reflue e nella desalinizzazione. Impiega più di 23.000 dipendenti (di cui oltre 6.000 ingegneri) e opera in 150 paesi, con un focus sugli USA, con oltre 35.000 clienti industriali diretti.

Il suo mercato principale è l’acqua potabile municipale e le acque reflue, ma fornisce anche soluzioni dedicate ad altri settori come sanità, energia, alimentare e bevande, petrolio e gas, microelettronica, ecc.

Fonte: Xylem

Xylem può fornire le componenti critiche brevettate per pulire o produrre acqua, come generatori di ozono, lampade UV, membrane di desalinizzazione, generatori di acqua ultra-pura, ecc. Ma fornisce anche apparecchiature “più semplici” altrettanto critiche per le operazioni legate all’acqua, come turbine, pompe, tubazioni, iniezioni, software, ecc., oltre a servizi di manutenzione, riparazione e installazione.

Fonte: Xylem

Il mercato dell’acqua è ancora molto frammentato, con Xylem una delle più grandi aziende del settore ma che detiene ancora solo una quota di mercato del 10% del suo mercato indirizzabile da 80 miliardi di dollari.

L’azienda spende circa il 4% delle sue vendite in R&D. Dovrebbe beneficiare delle nuove normative riguardanti i PFAS (sostanze per- e polifluoroalchiliche, o sostanze “eterne”), con oltre 6.000 impianti di servizi pubblici che necessitano di tale trattamento PFAS.

Nel complesso, ciò rende il profilo di investimento dell’azienda più simile a quello di una società di servizi pubblici che cresce con l’economia generale o leggermente al di sopra di tale tasso, come la maggior parte dei suoi consumatori.

Ultime notizie su Xylem Inc.

Studi citati:

  1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Produzione di idrogeno verde alimentata da energia solare con oltre il 12% di efficienza dall’acqua di mare”. Energy Environ. Sci., 2025, Articolo anticipato. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E

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Jonathan è un ex ricercatore biochimico che ha lavorato nell'analisi genetica e nelle sperimentazioni cliniche. Ora è un analista di titoli e scrittore finanziario con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione 'The Eurasian Century'.