I ricercatori australiani hanno sviluppato un sistema innovativo che trasforma l’urina umana ordinaria in combustibile per idrogeno pulito a costi energetici significativamente più bassi rispetto ai metodi tradizionali.
Gli scienziati dell’Università di Adelaide hanno creato due rivoluzionari sistemi di elettrolisi che sfruttano l’urea trovata nelle urine per produrre idrogeno riducendo al contempo il consumo di elettricità fino al 27% rispetto alla produzione di idrogeno a base d’acqua. Questo approccio non solo rende l’idrogeno verde economicamente competitivo con alternative derivate dai combustibili fossili, ma crea anche un’elegante soluzione per il trattamento delle acque reflue, rivoluzionando potenzialmente la produzione di energia rinnovabile affrontando le sfide ambientali.
Trasformare gli sprechi in energia pulita: la scienza dietro la svolta
L’idrogeno è stato a lungo propagandato come un vettore di energia pulita, ma la produzione attraverso l’elettrolisi dell’acqua convenzionale richiede elettricità sostanziale, rendendolo proibitivo per i costi rispetto all’estrazione di idrogeno dai combustibili fossili. L’innovazione del team di Adelaide è incentrato sulla sostituzione di questo processo ad alta intensità di energia con un’alternativa più efficiente.
“Nel primo sistema abbiamo sviluppato un sistema di elettrolisi dell’urea innovativo e altamente efficiente per la produzione di idrogeno a basso costo. In questo secondo sistema, abbiamo sviluppato un nuovo meccanismo di ossidazione mediata da cloro che utilizzava catalizzatori a base di platino per il Centro di assistenza al carbonio per generare idrogeno dalle urine”, afferma il professor Shi-Zhang Qiao, il vicedirettore e
La ricerca, Pubblicato in Nature Communications E Applied Chemistry International Editiondimostra come le molecole di urea richiedono una tensione significativamente inferiore per dividere rispetto alle molecole d’acqua. Laddove l’elettrolisi dell’acqua richiede 1,23 V per innescare la reazione, l’urea può essere divisa con solo 0,37 V, traducendo in sostanziali risparmi energetici.
Come funzionano i sistemi: innovazioni tecniche
Il team ha sviluppato due approcci distinti all’elettrolisi delle urine. Il primo sistema presenta un design senza membrane che elimina la necessità di costosi componenti di separazione. Il secondo sistema sfrutta un affascinante processo chimico in cui gli ioni cloruro presenti naturalmente nelle urine fungono da mediatori di reazione.
- Il sistema a base di platino raggiunge un consumo di elettricità fino a 4,05 kWh per metro cubo di idrogeno, sovraperformando l’elettrolisi dell’acqua tradizionale (4,70-5,00 kWh)
- Il nuovo sistema catalizzatore a base di rame converte in modo efficiente l’urea in gas di azoto pulito piuttosto che nitrati o nitriti dannosi
- Entrambi i sistemi dimostrano una stabilità eccezionale, con il sistema platino che opera continuamente per oltre 200 ore
- L’innovativo processo mediato dal cloro raggiunge un’efficienza del gas azoto fino al 73,1%, eliminando sottoprodotti dannosi
A differenza dei precedenti tentativi di elettrolisi dell’urea che spesso si basavano su costose urea pura, i sistemi Adelaide lavorano direttamente con l’urina umana grezza, eliminando la necessità di costosi reagenti. Inoltre, questo processo converte in modo efficiente l’urea dei rifiuti in gas di azoto innocuo, producendo idrogeno ad alta purezza, creando un’elegante soluzione a due sfide distinte.
Implicazioni economiche e ambientali
Le implicazioni finanziarie di questa svolta potrebbero trasformare il paesaggio dell’idrogeno verde. I calcoli dei ricercatori suggeriscono che l’idrogeno prodotto attraverso il loro sistema costa meno di idrogeno “grigio” tradizionalmente estratto dai combustibili fossili, rendendolo economicamente competitivo senza le emissioni di carbonio associate.
Oltre alla produzione di energia, la tecnologia affronta una significativa sfida di gestione dei rifiuti. L’urina umana, uno dei prodotti di scarto più abbondanti sulla Terra, contiene composti di azoto che possono danneggiare gli ecosistemi acquatici quando trattati in modo improprio. Questo sistema rimette efficacemente questa preoccupazione ambientale generando contemporaneamente un’energia pulita preziosa.
Il sistema di elettrolisi senza membrana del team, utilizzando il loro catalizzatore a base di rame, secondo quanto riferito riduce i costi di produzione di idrogeno a circa 1,81 US $ per chilogrammo-al di sotto dell’obiettivo tecnico del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti di $ 2,00-2,50 al chilogrammo e competitivo con idrogeno grigio prodotto da fuochi fossili.
Dal laboratorio a applicazione del mondo reale
Il viaggio della tecnologia dal concetto a un’applicazione commerciale affronta diverse sfide rimanenti. Mentre il sistema a base di platino dimostra prestazioni eccellenti, Platinum rimane un metallo prezioso costoso. Per affrontare questa limitazione, il team di ricerca sta ora sviluppando alternative di metallo non preziose.
“Il team dell’Università di Adelaide si baserà su questa ricerca fondamentale sviluppando catalizzatori metallici non supportati dal carbonio per la costruzione di sistemi di acque re-waste-waste a membrana, raggiungendo il recupero a basso costo dell’idrogeno verde rimando l’ambiente delle acque reflue”, spiega il team di ricerca.
Come potrebbe essere distribuita questa tecnologia su vasta scala? Le implementazioni future potrebbero potenzialmente integrarsi con le strutture di trattamento delle acque reflue esistenti o essere incorporati in sistemi di raccolta specializzati. Ciò aumenta una possibilità intrigante di infrastrutture decentralizzate di produzione di idrogeno collegate ai flussi di rifiuti.
Guardando a un futuro più pulito
Il tuo bagno potrebbe diventare la prossima pianta energetica? Mentre le applicazioni su scala personale rimangono distanti, il concetto evidenzia un importante cambiamento nel modo in cui vediamo i rifiuti, trasformandolo da un problema a risorsa. La tecnologia esemplifica i principi dell’economia circolare, in cui i risultati di un sistema diventano preziosi input per un altro.
Mentre la comunità globale intensifica gli sforzi per decarbonizzare i sistemi energetici, innovazioni come questa tecnologia urine-idrogeno offrono percorsi promettenti per lo sviluppo sostenibile. Affrontando contemporaneamente le sfide della gestione dei rifiuti e le esigenze di produzione di energia, tali approcci potrebbero aiutare le comunità in tutto il mondo a raggiungere molteplici obiettivi di sostenibilità con soluzioni singole.
Affinché l’idrogeno soddisfi il suo potenziale in un futuro di energia pulita, i costi di produzione devono diminuire sostanzialmente. Questa svolta dimostra che pensare in modo creativo a materie prime e processi può sbloccare significativi guadagni di efficienza, potenzialmente accelerando la transizione verso i sistemi di energia rinnovabile aiutando nel contempo a gestire le sfide ambientali. Il continuo lavoro del team di ricerca su catalizzatori di metalli non preziosi può ridurre ulteriormente i costi, avvicinando questo approccio innovativo all’implementazione diffusa.
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