Riciclo, storage e robotica: le priorità tecnologiche dell’energia eolica

Ricerca e innovazione mirate sono elementi necessari per accelerare dispiegamento eolico su larga scala in Europa. Il nuovo rapporto  dell'European Technology & Innovation Platform on Wind Energy (ETIPWind) mostra come

(Rinnovabili.it) – L’Europa ha bisogno di un rapido potenziamento dell’energia eolica per rispettare gli impegni dell’Accordo sul clima di Parigi e contribuire attivamente a limitare il riscaldamento globale. La strategia di decarbonizzazione a lungo termine della Commissione europea ha quantificato questo incremento in una capacità totale cumulata tra i 700 e 1.200 GW, cifre ben lontane dagli attuali 190 GW eolici installati oggi. Ma per raggiungere queste quote non basta aumentare il numero di turbine. Il settore europeo dell’energia del vento ha anche bisogno di nuove riduzioni dei costi e un sostegno alla base manifatturiera continentale. Entrambi gli elementi passano per un unico filtro: quello del settore ricerca e innovazione. Ecco perché WindEurope ha pubblicato in questi giorni un nuovo rapporto (testo in inglese) dell’European Technology & Innovation Platform on Wind Energy (ETIPWind), documento che mostra quali priorità di ricerca e soluzioni tecnologiche debbano essere favorite per spronare la crescita dell’energia eolica e ridurre i costi lungo la catena di approvvigionamento. Queste includono:

• tecnologie per facilitare l’integrazione del sistema (ad esempio l’elettronica di potenza) e ottimizzare le operazioni e la manutenzione;
• lo sviluppo di materiali migliori e più sostenibili;
• nuove soluzioni per produrre, trasportare e installare la prossima generazione di turbine eoliche.

“Le piattaforme tecnologiche europee sono parti interessate e partner importanti nella definizione delle priorità di ricerca per massimizzare l’impatto e il successo dei programmi quadro comunitari”, spiega Patrick Child, vicedirettore generale per la ricerca e l’innovazione della Commissione europea. “La tabella di marcia ETIPWind fornisce un quadro chiaro delle esigenze di ricerca nel settore dell’energia eolica affinché quest’ultimo svolga un ruolo chiave nella transizione energetica”.

Nel dettaglio la road map divide le priorità sul breve (2020-2022), medio (2023-2024) e lungo termine (2025-2027) individuando tre livelli d’urgenza: High, Medium e Low priority. Nell’immediato le necessità si concentrano sulla realizzazione di sistemi di previsione integrata della produzione e della domanda di energia, impianti di accumulo, strumenti digitali di monitoraggio, impianti dimostrativi per il riciclo delle pale eoliche, ma anche soluzioni robotiche di ispezione e riparazione guasti e nuovi metodi per trasportare i grandi componenti degli aerogeneratori. Il rapporto consiglia anche la realizzazione di multi-cultural wind farm, ossia di centrali eoliche dotate di turbine con differenti altezze del mozzo, diametro del rotore o potenza. Dal 2023 invece si consiglia di affinare la ricerca sull’ottimizzazione dell’infrastruttura di trasmissione, soluzioni dinamiche di riparazione dei cavi, sistemi digitali per operazioni intelligenti e per la previsione dei parametri ambientali, ma soprattutto sugli aerogeneratori di prossima generazione, macchine più potenti, affidabili e silenziose.

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Contestualmente gli autori chiedono alla politica UE un sostegno deciso ai quei segmenti della ricerca in grado di migliorare le prestazioni e ridotti i costi di produzione su larga scala e incrementare la sostenibilità e la circolarità delle industrie europee, accelerando l’elettrificazione basata sulle energie rinnovabili (diretta e indiretta) dei settori difficili da decarbonizzare.

“Non c’è mai stata una necessità più grande di quella di oggi per una politica R&I forte e lungimirante. Allo stesso tempo sappiamo che le risorse pubbliche sono limitate”, ha dichiarato Aidan Cronin, presidente del comitato esecutivo di ETIPWind. “L’industria, gli istituti di ricerca e il mondo accademico stanno lavorando a stretto contatto per evidenziare quali aree sono più adatte a ricevere supporto pubblico e apportare il massimo valore e impatto sulle risorse economiche. Questa tabella di marcia illustra come possiamo indirizzare la ricerca e l’innovazione per ridurre il rischio di sviluppo tecnologico e far avanzare l’energia eolica”.

Leggi qui il rapporto sulle priorità tecnologiche per l’energia eolica europea

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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“.