Energia dal mare: Eni capofila in Italia

Il progetto pilota Inertial Sea Wave Energy Converter realizzato con il Politecnico di Torino (PoliTO) e Wave for Energy (spin-off del PoliTO) avvicina la commercializzazione di una tecnologia dalle grandi potenzialità

(Rinnovabili.it) – La sostenibilità per la produzione di energia è diventata nell’ultimo periodo una delle principali driving force che caratterizzano le politiche energetiche delle nazioni, spinta anche dalla crescente sensibilità verso il tema del Climate Change. Per ridurre le emissioni di gas serra, come noto, sarebbe necessaria una transizione energetica senza precedenti che sposti in pochi decenni il baricentro del sistema energetico dalle fonti fossili a quelle rinnovabili. Sole e vento sono al momento le risorse più utilizzate per centrare l’obiettivo; il mare possiede grandi potenzialità, ma è necessario ancora sviluppare una tecnologia in grado di sfruttarlo in maniera efficiente ed economicamente praticabile.

Energia dal mare: il progetto pilota di Eni al largo di Ravenna

In quest’ottica, Eni è da alcuni anni in prima fila nella ricerca e nella messa a punto di tecniche per lo sfruttamento dell’energia maremotrice. Dal Marzo di quest’anno, a Ravenna è in funzione un primo progetto pilota, l’Inertial Sea Wave Energy Converter (ISWEC) con capacità nominale di 50 kW. L’impianto si trova nel Mare Adriatico al largo di Ravenna ed è stato realizzato grazie al sodalizio tra Eni e il Politecnico di Torino (PoliTO) e Wave for Energy, uno spin-off del Politecnico di Torino. L’iniziativa rientra in un più ampio piano di collaborazioni tra il gigante energetico e le principali università del Paese, tutte mirate a condividere competenza tecnologica, industriale e commerciale e favorire una concreta integrazione tra mondo accademico ed impresa.

Come funziona?

Il mare è potenzialmente la più grande fonte di energia rinnovabile al mondo: le più recenti stime quantificano in 2.7-3 TW la capacità globale disponibile. Questa enorme quantità di potenza è tuttavia al momento sostanzialmente inutilizzata. L’innovativo sistema targato Eni si presenta come una struttura flottante ancorata al fondale ed è in grado – attraverso l’effetto inerziale reattivo di un giroscopio – di convertire il beccheggio oscillatorio dello scafo indotto dal moto delle onde. Questa sorta di “culla dell’energia” riesce ad adattarsi alle condizioni marine mantenendo una elevata efficienza nel non semplice processo di conversione energetica.

L’impianto inoltre, è integrato in un sistema ibrido smart grid che include fotovoltaico e batterie di stoccaggio energetico per una generazione contemporanea da solare e moto ondoso unica al mondo.

Eni insieme a CDP, Fincantieri e Terna per implementare il progetto su scala industriale

Nell’Aprile 2019 è stato poi firmato un accordo non vincolante tra i vertici di Eni, Cassa Depositi e Prestiti, Fincantieri e Terna per lo sviluppo ulteriore e la futura trasformazione di ISWEC in un progetto realizzabile su scala industriale. L’intesa mira ad unire le competenze di ciascuna delle società nei rispettivi ambiti: l’esperienza in campo energetico di Eni, le competenze economico-finanziarie di CDP e il know-how di Fincantieri e Terna in progettazione esecutiva, costruzione e ricerca di soluzioni energetiche sostenibili.

I termini dell’accordo prevedono una prima fase di studio ed ingegnerizzazione della costruzione partendo dal dispositivo ISWEC; da qui si dovrebbe arrivare alla progettazione e realizzazione (entro il 2020) di un primo sito operativo collegato alle piattaforme estrattive offshore Eni. È prevista parallelamente la valutazione dell’estensione del progetto ad alcuni siti di particolare interesse strategico nel Paese. Un esempio sono le aree marine in prossimità delle isole minori, energeticamente off-grid per definizione. Con l’aiuto di impianti come ISWEC, queste zone – la cui alimentazione energetica principale spesso è ancora rappresentata da gruppi elettrogeni diesel – vedrebbero finalmente erogare energia elettrica completamente rinnovabile per soddisfare il loro fabbisogno.

La buona riuscita del piano con una implementazione industry-wide del progetto pilota ISWEC, potrebbe contribuire alla decarbonizzazione delle attività Oil&Gas offshore di Eni, trasformando piattaforme a fine vita in hub per la produzione sostenibile di energia.

Il futuro dell’energia dal moto ondoso

Secondo il Renewable Energy Statistics 2019  di International Renewable Energy Agency (IRENA), alla fine del 2018 la quota di “marine energy” copriva solamente 529 GW dei 2,356 GW totali di rinnovabili installati nel mondo. Progetti come ISWEC giocano un ruolo chiave nel favorire la crescita di una tecnologia che ancora deve superare alcuni limiti tecnici per essere commercializzata definitivamente.

Elevata densità energetica, ottima prevedibilità e bassa variabilità fanno delle onde del mare una risorsa estremamente promettente e che sicuramente si ritaglierà una quota importante del mercato energetico rinnovabile nei prossimi anni.

In collaborazione con Eni

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“.