I ricercatori dell’Università Metropolitana di Osaka hanno creato un nuovo sistema di fotosintesi artificiale in grado di generare combustibile solare in modo più costante, eliminando al contempo la necessità di apparecchiature di controllo basate su batterie. Il progresso deriva dall’integrazione di un componente chimico autoregolante direttamente nell’elettrolizzatore, riducendo sia la complessità che i costi del sistema.
Analogamente alla fotosintesi naturale delle piante, la fotosintesi artificiale utilizza la luce solare per trasformare acqua e anidride carbonica in composti ricchi di energia. Uno di questi prodotti è l’acido formico, una sostanza chimica che può fungere da combustibile e da metodo di accumulo di energia.
Come la fotosintesi artificiale produce combustibile solare
Il cuore di questi sistemi è un elettrolizzatore, che converte l’elettricità proveniente dalle celle solari in energia chimica. Tale energia viene poi immagazzinata sotto forma di combustibili come l’acido formico.
Una delle principali sfide è mantenere un funzionamento efficiente quando la luce solare varia durante il giorno. Per ovviare a questo problema, molti sistemi di fotosintesi artificiale utilizzano la tecnologia MPPT (Maximum Power Point Tracking), un metodo che regola continuamente tensione e corrente in modo che le celle solari possano erogare la massima potenza possibile.
Tuttavia, i sistemi MPPT convenzionali si basano in genere su batterie e componenti elettronici aggiuntivi per stabilizzare il flusso di energia. Sebbene efficaci, queste aggiunte aumentano sia i costi che la complessità del sistema.
L’elettrolizzatore autoregolante elimina le batterie.
Per superare questa limitazione, un team guidato dal professore associato Yasuo Matsubara e dal professor Yutaka Amao del Centro di ricerca per la fotosintesi artificiale dell’Università metropolitana di Osaka ha collaborato con Iida Group Holdings Co., Ltd per riprogettare l’elettrolizzatore stesso.
Il loro approccio si basa su un elettrolita solido appositamente progettato e integrato direttamente nel dispositivo. Di conseguenza, l’elettrolizzatore può svolgere automaticamente la funzione MPPT, eliminando la necessità di sistemi di controllo basati su batterie.
Anziché affidarsi a componenti elettronici esterni, convertitori o batterie, l’elettrolizzatore regola le proprie caratteristiche elettriche attraverso le proprie proprietà termiche e di impedenza.
“Con l’aumento della luce solare, l’elettrolizzatore si riscalda naturalmente. Il sistema è progettato in modo che questo riscaldamento provochi una diminuzione della resistenza elettrica, consentendo all’elettricità di fluire più liberamente”, ha spiegato il professor Amao. “Questo fa sì che il sistema regoli automaticamente il proprio comportamento elettrico.”
“Questo comportamento autoregolante contribuisce a mantenere più stabile la produzione di carburante durante la giornata e automatizza il sistema, riducendo al contempo la dipendenza da batterie e costosi componenti esterni”, ha aggiunto.
Produzione stabile di acido formico sotto la luce solare reale
Quando i ricercatori hanno testato la tecnologia in condizioni reali all’aperto, il sistema ha prodotto costantemente acido formico a partire da acqua e CO2, anche in presenza di fluttuazioni dei livelli di luce solare.
“Eravamo fiduciosi del successo dell’esperimento, dato che avevamo già presentato questa ricerca alla mostra ‘Joint Pavilion Iida Group × Osaka Metropolitan University’ nell’ambito dell’Osaka Kansai Expo 2025”, ha affermato il professor Matsubara. “Il sistema è riuscito a generare una quantità di acido formico sufficiente ad alimentare un diorama in miniatura all’interno del padiglione, dimostrando il suo potenziale come efficiente sistema di fotosintesi artificiale che potrebbe essere utilizzato per ricaricare i dispositivi nelle nostre case.”
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista EES Solar .
Astratto
La produzione elettrochimica di combustibili da energia solare, comunemente nota come produzione di combustibili solari, è una tecnologia chiave per convertire l’energia solare, abbondante ma intermittente, in una fonte energetica stabile. Tipicamente, questo processo impiega un elettrolizzatore accoppiato a celle fotovoltaiche (PV) tramite un sistema elettronico di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). In questo lavoro, proponiamo un sistema MPPT chimico, integrato direttamente nell’elettrolizzatore, per consentire la produzione autonoma e non presidiata di combustibili solari liquidi con variazioni di concentrazione stabilizzate dall’alba al tramonto. Il principio di funzionamento del sistema MPPT deriva dalle proprietà di impedenza e di trasferimento termico dell’elettrolizzatore, che incorpora un elettrolita allo stato solido con resistività ionica e coefficiente di temperatura negativo. L’applicazione del modello matematico a un elettrolizzatore reale alimentato da un pannello fotovoltaico in silicio monocristallino disponibile in commercio per la produzione di una soluzione acquosa pura di acido formico ha dimostrato un elevato fattore di utilizzo (85%) dell’energia fotovoltaica e un’efficienza energetica solare esterna da 0,1 kg di acido formico da acqua pura e anidride carbonica (CO₂) 2 ) durante il funzionamento diurno, il tutto senza l’utilizzo di un sistema MPPT elettronico convenzionale.
Materiale fornito dall’Università Metropolitana di Osaka . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Yasuo Matsubara, Hinako Kawakami, Yasuhito Kajita, Yutaka Amao. Chemical maximum-power-point tracking system for stabilized liquid solar-fuel production. EES Solar, 2026; DOI: 10.1039/D5EL00177C
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