Come le bolle di gas influenzano la produzione di idrogeno
Le nuove scoperte sono rilevanti per tutti i processi di elettrolisi
Gli elettrolizzatori sono una tecnologia chiave per la transizione energetica. Scindono l'acqua in idrogeno e ossigeno, ma consumano ancora troppa elettricità nel processo. Uno dei problemi è che l'idrogeno inizialmente disciolto si separa sotto forma di bolle di gas, che possono sigillare l'elettrodo, a scapito dell'efficienza. Un team di ricerca tedesco-olandese guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora acquisito una visione unica dell'interno delle bolle di idrogeno e ha ricavato nuovi risultati per i processi nell'elettrolizzatore. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Communications.
La serie di immagini mostra come due bolle di idrogeno si combinano per formare una bolla più grande durante l'elettrolisi dell'acqua in un elettrolita acido (coalescenza). Questo crea un getto liquido di elettrolita all'interno della nuova bolla, che diventa instabile e si rompe in singole gocce (centro). Poiché questo processo avviene molto frequentemente, si produce un fine spruzzo di goccioline di elettrolita. Nell'immagine in alto a destra sono mostrate le linee di flusso che illustrano il movimento di queste goccioline all'interno della bolla. Le goccioline scendono verso il basso e si raccolgono alla base della bolla di idrogeno. Qui formano piccole pozzanghere di liquido che bagnano nuovamente l'elettrodo e modificano la forma della linea di contatto della bolla. Ciò può causare il distacco anticipato della bolla dall'elettrodo (immagine a destra in basso).
Le bolle di gas negli elettrolizzatori fanno sì che la produzione di idrogeno consumi troppa elettricità, rendendo il processo molto più costoso. "Comprendere la dinamica delle bolle di gas è un pezzo importante del puzzle se vogliamo rendere gli elettrolizzatori più efficienti. Ora abbiamo fatto un significativo passo avanti in questo senso, perché siamo riusciti ad analizzare per la prima volta i processi all'interno delle bolle di gas", spiega il Prof. Kerstin Eckert, Direttore dell'Istituto di Fluidodinamica dell'HZDR.
Scoperte gocce nelle bolle di gas: l'interno diventa visibile
La novità principale: le bolle di idrogeno non sono sempre costituite da gas puro. Possono anche contenere un sottile spruzzo di microgocce di elettrolita, cioè il liquido con cui viene fatto funzionare l'elettrolizzatore, ad esempio la soluzione di idrossido di potassio. Questo fenomeno permette di approfondire i processi fisico-chimici e idrodinamici coinvolti nell'elettrolisi dell'acqua.
Lo studio fornisce una visione unica dell'interno delle bolle: "Con i metodi ottici utilizzati dal nostro team, in precedenza non eravamo in grado di vedere i flussi nel gas stesso. Ora possiamo seguirli attraverso le goccioline nelle bolle di gas, perché si muovono con il gas", spiega il dottor Gerd Mutschke dell'HZDR. Nel processo di shadowing, la bolla viene illuminata con un fascio di luce parallelo. Una telecamera è posizionata dietro la bolla e ne riprende la distribuzione dei valori di grigio. Le microgocce nel gas appaiono come punti neri. Un'ulteriore sezione di luce laser utilizza le microgocce come traccianti per misurare il campo di flusso all'interno della bolla.
Il dottor Aleksandr Bashkatov, all'epoca dottorando nel team di Eckert, poi ricercatore post-dottorato presso l'Università di Twente nell'ambito di un progetto congiunto olandese-tedesco e ora all'Università RWTH di Aquisgrana e primo autore dello studio, ha notato per la prima volta le goccioline nel gas durante esperimenti di volo parabolico a gravità zero. Sulla base di ciò, il team ha condotto ulteriori esperimenti sulla Terra e simulazioni per comprendere l'esatto meccanismo di come l'elettrolita entra nelle bolle di gas.
Correnti vorticose all'interno e all'esterno
In corrispondenza degli elettrodi, molte minuscole microbolle formano inizialmente una sorta di tappeto e poi si fondono rapidamente con una bolla grande, una dopo l'altra. Parte dell'energia superficiale delle piccole bolle viene convertita in energia cinetica e può deformare l'interfaccia tra il gas e l'elettrolita a tal punto che il liquido elettrolitico penetra nella bolla. Il liquido viene iniettato nella grande bolla ad alta velocità sotto forma di "microgetto", dove si disintegra in una nuvola di minuscole goccioline che vorticano nella bolla seguendo il flusso interno. Dal punto di vista fisico, i vortici sono creati da un effetto termico Marangoni all'interfaccia tra la bolla di gas e l'elettrolita: alte densità di corrente riscaldano localmente l'interfaccia, riducendone la tensione superficiale.
"Abbiamo scoperto un fantastico fenomeno fondamentale, i cui effetti esatti sulla tecnologia non possono ancora essere quantificati. Ma le bolle di gas e il modo in cui si fondono sono un problema tecnologicamente rilevante in tutte le architetture degli elettrolizzatori, quindi c'è molto da fare", riassume Eckert. Il progetto di follow-up tedesco-olandese ALKALAMIT, finanziato dal Ministero Federale dell'Istruzione, della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR) e dall'Organizzazione Olandese per la Ricerca Scientifica (NWO), che Eckert coordina per la parte tedesca, dovrebbe fornire ulteriori approfondimenti.
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Pubblicazione originale
Aleksandr Bashkatov, Florian Bürkle, Çayan Demirkır, Wei Ding, Vatsal Sanjay, Alexander Babich, Xuegeng Yang, Gerd Mutschke, Jürgen Czarske, Detlef Lohse, Dominik Krug, Lars Büttner, Kerstin Eckert; "Electrolyte droplet spraying in H2 bubbles during water electrolysis under normal and microgravity conditions"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-16
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