Idrogeno sostenibile, l’Unione Europea inizia a fare sul serio?

In occasione del pre-Consiglio sull’energia l'Austria lancia l'Hydrogen Initiative e ottiene il consenso di altri 24 Stati Membri, Italia inclusa. Crippa: “Interessante per gestire le rinnovabili quando c’è un eccesso di produzione”

I riflettori europei sono puntati sull’idrogeno sostenibile

(Rinnovabili.it) – Rendere l’idrogeno sostenibile vettore della decarbonizzazione europea. Di questa opzione si è discusso ieri e oggi a Linz, in Austria fra esponenti della politica europea e big dell’industria. La città ha fatto da palco a due eventi d’alto livello, dal pre-Consiglio dell’UE sull’energia alla conferenza “Charge for Change: tecnologie innovative per le industrie ad alta intensità energetica”. Appuntamenti differenti che hanno tuttavia acceso i riflettori sul ruolo e le potenzialità dell’idrogeno sostenibile all’interno del sistema energetico del vecchio Continente. La stessa scelta della città non è stato un caso: a Linz è nato, infatti, il più grande impianto di produzione verde per questo vettore (Leggi anche Austria come la Svezia: verso un’industria siderurgica a idrogeno).

E l’Austria, a cui spetta fino alla fine di dicembre 2018 la presidenza del Consiglio dell’UE, è fortemente intenzionata a fare entrare questo tema nel programma energetico comunitario. Anche per questo motivo la nazione ha presentato l’Hydrogen Initiative, strategia per massimizzarne il potenziale tecnologico all’interno dei confini comunitari. “In questa iniziativa, – spiega Elisabeth Köstinger, attuale presidente del Consiglio UE – gli stati firmatari, le organizzazioni e le aziende sono impegnate a proseguire le ricerche e gli investimenti nella produzione e nell’uso dell’idrogeno come tecnologia lungimirante“.

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I primi consensi sia da parte degli Stati Membri che dalle aziende non sono tardate ad arrivare. L’Hydrogen Initiative ha raccolto anche il plauso del commissario europeo all’energia Miguel Arias Canete, tra i primi firmatari del documento d’intenti. Nel dettaglio l’iniziativa – non vincolante e approvata finora da 25 nazioni dell’UE – richiede ai governi di aumentare la cooperazione nella ricerca sul potenziale utilizzo del vettore H2 nello stoccaggio di energia, nei trasporti, nell’elettricità e nel riscaldamento. “L’accelerazione verso una rapida attuazione e una più ampia applicazione della tecnologia dell’idrogeno sostenibile è in grado di contribuire alla competitività economica dell’Unione dell’energia”, si legge nel documento.

Per l’Italia era presente il sottosegretario allo Sviluppo Economico, Davide Crippa che, a margine dell’incontro ministeriale, ha affidato a twitter le sue impressioni “È uno strumento molto importante. […] bisogna lavorare affinchè l’idrogeno possa essere un vettore per accumulare energia e per gestire le rinnovabili quando c’è un eccesso di produzione”. Anche il governo italiano sposa dunque l’Hydrogen Initiative ricordando come sia necessario, oggi più che mai, “uno sforzo politico comune” per diffondere sfruttare e diffondere le potenzialità di questa tecnologia. “Il documento che abbiamo appena siglato nasce da questa esigenza – aggiunge Crippa –. Sono fiducioso che l’idrogeno possa fornire un contributo fondamentale alla transizione e che l’Italia possa fare la sua parte con i propri centri di ricerca e le aziende già attive da tempo in questo settore.”

Una giornata importante quella di ieri durante il preconsiglio informale sull’energia. Diversi paese hanno relazionato sul tema dell’idrogeno e sull’opportunità di usarlo com alternativa ai fossili.@luigidimaio @GiuseppeConteIT @Mov5Stelle @M5S_Camera pic.twitter.com/6EZt7tR5FC

— Davide Crippa (@crippa5stelle) 18 settembre 2018

All’ordine del giorno dei Ventotto anche i progressi compiuti sul “Pacchetto Energia pulita”. “La conclusione di questo pacchetto è una priorità chiave della politica energetica della nostra presidenza”, ha aggiunto Köstinger. “La Presidenza bulgara ha svolto un gran lavoro di base con il completamento dei tre dossier sulle energie rinnovabili, l’efficienza energetica e la governance. Ci ha dato dei passi fondamentali, e sono fiducioso che riusciremo a completare questo storico pacchetto”.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.