Elettrolisi dell’acqua fotovoltaica che raggiunge il 31,3% di efficienza di conversione solare-in-H2 in condizioni operative all’aperto

Trasformare la luce del sole in un combustibile pulito

L’idrogeno è spesso presentato come il combustibile pulito del futuro, ma produrlo in modo compatibile con il clima resta una sfida importante. Questo studio descrive un dispositivo compatto che usa luce solare concentrata per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno con un’efficienza insolitamente elevata, operando all’aperto in condizioni reali. Per i lettori interessati a come potremmo immagazzinare l’energia solare per usarla di notte, trasferirla tra stagioni o alimentare l’industria pesante senza combustibili fossili, questo lavoro offre uno sguardo su una possibile via pratica.

Perché l’idrogeno prodotto dal sole è importante

Il fotovoltaico e l’eolico sono fonti pulite ed economiche, ma non sono sempre disponibili quando ne abbiamo bisogno. L’idrogeno può comportarsi come una batteria energetica flessibile: può essere immagazzinato a lungo, trasportato su grandi distanze e riconvertito in elettricità, calore o impiegato come materia prima chimica. Il problema è che oggi la maggior parte dell’idrogeno è prodotta dal gas naturale, che emette grandi quantità di anidride carbonica. Separare l’acqua con elettricità rinnovabile evita queste emissioni, ma i sistemi tipici sprecano gran parte dell’energia solare incidente. Portare l’efficienza ben oltre il 15 percento è considerato un passo chiave per rendere l’idrogeno solare economicamente accessibile su larga scala.

Una macchina compatta che trasforma la luce in idrogeno

I ricercatori hanno costruito un modulo prototipo, chiamato HyCon, che accoppia strettamente due tecnologie mature: celle solari ad alte prestazioni ed elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM). Un array di quattro piccole lenti di Fresnel concentra la luce solare diretta circa 200 volte su quattro avanzate celle solari “a quattro giunzioni” montate su una piastra di rame. Queste celle sovrappongono diversi strati assorbenti per raccogliere un’ampia gamma di colori solari e generare una tensione superiore a 4 volt. Sul lato posteriore della stessa piastra, due celle di elettrolisi PEM sono collegate direttamente in serie alle celle solari. Quando la luce solare concentrata colpisce le celle, esse alimentano gli elettrolizzatori senza alcuna elettronica di potenza interposta, dividendo acqua deionizzata in flussi separati di idrogeno e ossigeno.

Come il progetto estrae un’efficienza elevata

Per raggiungere un’elevata efficienza di conversione, le celle solari e gli elettrolizzatori devono operare in un punto ottimale in cui l’uscita elettrica delle celle corrisponde strettamente alla domanda della reazione di scissione dell’acqua. Il team ha scelto con attenzione di collegare quattro celle solari in parallelo e due celle di elettrolisi in serie in modo che le loro curve corrente–tensione si incrocino appena sotto il punto di massima potenza delle celle solari. Hanno inoltre caratterizzato come fattori del mondo reale, come variazioni di intensità luminosa e temperatura dell’acqua, spostino questo punto operativo nel corso della giornata. L’acqua più calda riduce la tensione richiesta per l’elettrolisi, quindi i ricercatori preriscaldano l’acqua in ingresso a circa 60 gradi Celsius e hanno progettato il modulo in modo che il calore di scarto delle celle solari possa, in versioni future, mantenere gli elettrolizzatori caldi. Questa strategia aiuta il sistema a mantenere un’elevata efficienza anche quando sole e condizioni meteorologiche variano.

Prestazioni record all’aperto sul campo

Il modulo HyCon è stato testato per 13 giorni estivi su un inseguitore solare a doppio asse a Friburgo, in Germania, che manteneva le lenti orientate direttamente verso il sole. Sotto forte radiazione diretta, il dispositivo ha convertito fino al 31,3 percento dell’energia solare incidente nell’energia chimica immagazzinata nell’idrogeno, misurata con il potere calorifico superiore del gas. A questo picco, l’array di celle solari funzionava a circa il 35 percento di efficienza e lo stack di elettrolisi a poco più del 91 percento. Su una giornata soleggiata completa, il modulo ha raggiunto quasi il 29 percento di efficienza media e ha prodotto più di 60 grammi di idrogeno per metro quadrato di area lente, senza mostrare degradazione misurabile delle prestazioni. Rispetto ad altri sistemi di elettrolisi alimentati da solare, la combinazione di celle solari multi-giunzione concentratrici e elettrolizzatori PEM accoppiati direttamente ha fornito l’efficienza più alta riportata in condizioni outdoor reali.

Che cosa significa per il futuro dell’energia verde

Lo studio suggerisce che accoppiare direttamente celle solari concentratrici multilayer a elettrolizzatori PEM compatti può formare mattoni altamente efficienti per la produzione di idrogeno solare, specialmente in regioni soleggiate e aride ricche di irraggiamento diretto. Poiché l’approccio HyCon evita elettronica di potenza aggiuntiva, sfrutta efficacemente sia luce sia calore e può essere scalato ripetendo il modulo, potrebbe contribuire a ridurre il costo dell’idrogeno verde verso livelli competitivi con l’idrogeno da fonti fossili. Pur essendo necessari ulteriori miglioramenti nella gestione del calore, nel design delle celle solari e nel dispiegamento su larga scala, questo lavoro dimostra che trasformare la luce del sole in un combustibile pulito e immagazzinabile a efficienza molto elevata non è solo una curiosità da laboratorio, ma un’opzione realistica in condizioni reali all’aperto.

Citazione: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

Parole chiave: idrogeno solare, elettrolisi dell'acqua, fotovoltaico concentratore, stoccaggio di energia rinnovabile, idrogeno verde