Eni e la nuova era delle rinnovabili: i concentratori solari luminescenti

Sono in grado di incrementare l'efficienza di conversione del fotovoltaico mentre migliorano il comfort visivo indoor. Sono i concetratori solari luminescenti, uno dei fiori all'occhiello della ricerca sulle rinnovabili targata ENI

“Crediamo che il futuro sarà fatto da energie rinnovabili”. Come ha spiegato da Parigi l’amministratore delegato di Eni, Claudio Descalzi la politica ambientale della azienda è più che chiara. E lo appare ancora di più se si guarda alle grandi innovazioni raggiunte in questi anni dai programmi di ricerca portate avanti dal cane a sei zampe.  Con il dichiarato obiettivo di ridurre l’impronta ambientale delle attività Eni, il lavoro di R&S nell’area Renewable Energy and Environment ha dato vita ad un ampio portafoglio di tecnologie per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, con un focus privilegiato sul fotovoltaico, lo stoccaggio energetico e la valorizzazione energetica delle biomasse. L’obiettivo dell’azienda è quello di sviluppare tecnologie innovative finalizzate alla produzione di energia elettrica, che sappiano essere contemporaneamente sostenibili e competitive. Un impegno che caratterizza il programma di ricerca Eni dal 2007, anno in cui l’Istituto Donegani di Novara, struttura dedicata sino ad allora alla chimica industriale, è diventato il Centro specializzato per la Ricerca sulle Energie “Non Convenzionali”. Tra le diverse tecnologie un posto speciale lo occupa l’energia solare in tutta la sua filiera produttiva, dalla cattura della radiazione alla trasformazione della luce in elettricità al suo immagazzinamento, e in questo contesto uno dei progetti su cui Eni sta lavorando è lo sviluppo di concentratori solari luminescenti (Luminescent Solar Concentrator – LSC).

Cosa sono i concentratori solari luminescenti

Si tratta di lastre di materiale trasparente dotate di coloranti fluorescenti, ossia sostanze in grado di assorbire una quota della radiazione ricevuta dal sole e di riemetterne una parte all’interno della lastra medesima. La radiazione emessa, sfruttando il fenomeno della “riflessione totale interna”, è condotta fino ai sottili bordi della lastra dove viene concentrata su piccole celle solari che la trasformano in energia elettrica. Nel dettaglio gli LSC sono costituiti da una lastra di plastica o vetro sulla cui cui superficie o all’interno della quale sono disperse le molecole fluorescenti; queste devono essere dotate di elevato coefficiente di assorbimento ed esteso intervallo di spettro solare che deve essere “in accordo” con la risposta spettrale ottimale della cella fotovoltaica.

La ricerca Eni inaugura la nuova Era delle rinnovabili

In realtà la fisica alla base del funzionamento degli LSC è nota fin dagli anni ’60; da allora ad oggi però, proprietà ottiche insufficienti e la scarsa stabilità dei coloranti utilizzati ne hanno ritardato lo sviluppo in ambito energetico. E’ qui che entra in gioco Eni, con coloranti originali e processi unici. Ad oggi sono state depositate dal Centro Ricerche Eni Donegani ben 16 domande di brevetto per altrettanti coloranti fluorescenti con caratteristiche ottiche adatte all’utilizzo in LSC. Un impegno che è valso all’azienda il premio Oscar Masi 2010 per l’innovazione industriale dall’Associazione Italiana per la Ricerca Industriale.

I vantaggi della tecnologia LSC

A differenza dei dispositivi fotovoltaici tradizionali, i sistemi di questo tipo funzionano bene anche in condizioni di scarsa illuminazione diretta proprio in virtù del fatto che la concentrazione della radiazione migliora l’efficienza di conversione delle celle fv disposte ai bordi. Inoltre i pannelli LSC permettono di ottenere diversi vantaggi, sia sul fronte del contenimento dei costi di investimento che su quello della manutenzione, dal momento che la concentrazione selettiva riduce il surriscaldamento delle celle. Le caratteristiche di questi dispositivi li rendono perfetti per l’integrazione edilizia, attraverso il ricorso a finestre o lucernari fotovoltaici, involucri edilizi, serre, e tutte quelle applicazioni in generale nelle quali è richiesta una produzione energetica e, contemporaneamente,  l’illuminazione degli ambienti.

In esperimenti condotti in collaborazione con il Politecnico di Milano (dove alcuni pannelli LSC sono stati inseriti nella parte superiore di alcune finestre) è stato osservato che la tecnologia permette di migliorare il comfort visivo indoor. Nel dettaglio l’aggiunta di un piano orizzontale che separi la parte inferiore della finestra dalla parte superiore permette di diffondere la luce trasmessa verso il soffitto mentre quella assorbita viene impiegata per la produzione di energia elettrica. Il primo edificio ad esser dotato di pannelli LSC è stato la sede della Divisione Refining & Marketing di Eni a Roma: l’impianto, realizzato su scala dimostrativa, è composto da 192 lastre fotoattive gialle trasparenti per una superficie totale di 60 m2 ed è in grado di produrre una potenza di 500 Wp. Tutta l’energia così ottenuta è impiegata per la ricarica di biciclette elettriche. Inoltre la speciale pensilina solare è utilizzata come “laboratorio a cielo aperto” per studiare il comportamento dei concentratori nel tempo e in varie condizioni di luce, al fine di aumentarne l’efficienza e la stabilità e di rendere i costi maggiormente competitivi.

Il Ministero dell'Ambiente pubblica gli esiti della consultazione pubblica sul Decreto Ministeriale FER X, chiusa lo scorso settembre. Dai 46 soggetti partecipanti emerge l'esigenza di conoscere per tempo tutte le informazioni utili alla programmazione degli investimenti nelle rinnovabili. Chiesti chiarimenti sul processo autorizzativo e sulle tempistiche

Decreto FERX, nuovi spunti di riflessione

Servono maggiori informazioni sui coefficienti sul prezzo d’aggiudicazione, sui criteri di priorità, sulla documentazione per l’accesso al meccanismo e sulle tipologie di interventi ammessi. In particolare quando si tratta di progetti di “rifacimento” e “potenziamento”. Queste alcune delle principali richieste emerse dalla consultazione pubblica sul Decreto FERX. La scorsa estate il Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza energetica aveva pubblicato lo schema del provvedimento per una raccolta di pareri da parte degli stakeholder, con l’obiettivo di condividerne le logiche. Oggi il MASE rende noti gli esiti di tale consultazione puntando i riflettori sugli spunti e le richieste emerse da parte dei 46 soggetti partecipanti. 

Gli esiti della consultazione pubblica

Ricordiamo che il Decreto FERX nasce con lo scopo di definire un meccanismo di supporto espressamente dedicato ad impianti a fonti rinnovabili con costi di generazione vicini alla competitività. Come? Tramite contratti CfD a valere sull’energia elettrica prodotta dagli impianti. Con un accesso diretto per quelli di taglia inferiore al MW, e tramite aste al ribasso per quelli di taglia uguale o superiore al MW. Ed è proprio su queste due modalità che arrivano le prime considerazioni.

Per la maggior parte dei soggetti che hanno risposto alla consultazione, il contingente di 5 GW per gli impianti FER ad accesso diretto non sarebbe sufficiente, soprattutto vista la grande attenzione che stanno ricevendo al livello di investimento i sistemi di piccola taglia.

Per quanto riguarda l’accesso tramite asta, invece, il parere generale condivide i contingenti individuati, che secondo l’ultima bozza pubblicata oggi sarebbero: per il fotovoltaico 45 GW; per l’eolico di 16,5 GW; per l’idroelettrico di 630 MW; per i gas residuati 20 MW. “Tuttavia – si legge nel documento del MASE – congiuntamente alla risposta positiva sono state proposte diverse modifiche (aumento di uno specifico contingente, creazione di nuovo contingente, meccanismi di riallocazione della potenza non assegnata, ridefinizione dei contingenti al fine di favorire lo sviluppo dei PPA, etc.)”. Tra gli spunti emersi c’è la proposta di contingenti separati tra il fotovoltaico a terra e sul tetto.

Proposti nuovi requisiti di accesso e tempistiche

In tema requisiti d’accesso, alcuni soggetti chiedono l’incremento della soglia di potenza per l’accesso diretto, l’aggiunta dei criteri ESG, la reintroduzione del requisito specifico che attesti la capacità finanziaria ed economica di chi partecipa al meccanismo del Decreto FERX.

“Con riferimento ai tempi massimi individuati per la realizzazione degli interventi, la consultazione ha evidenziato un forte distaccamento con le aspettative degli operatori. Per quanto detto diversi soggetti propongono per una o più fonti l’innalzamento dei tempi previsti, chiedendo di tenere in considerazione parametri quali, la potenza e/o la tipologia d’intervento, l’ottenimento dei titoli autorizzativi, i tempi di realizzazione della connessione e quelli dovuti agli approvvigionamenti, che sottolineano, potrebbero oltretutto determinare un aumento dei costi, visto anche i meccanismi incentivanti”, si legge ancora nel documento.

Per i tempi di comunicazione della data d’entrata in esercizio dell’impianto, emerge nel complesso l’esigenza di un prolungamento, aggiungendo da più 60 giorni a 12 mesi. Viene anche evidenziata una certa contrarietà all’obbligo per gli operatori di impianti rinnovabili non programmabili che stipula un contratto CfD ad abilitarsi alla fornitura dei servizi di dispacciamento.

Un gruppo di scienziati del KAIST ha sviluppato una batteria a ioni di sodio ad alta energia, ad alta potenza e di lunga durata

Quando le batteria a ioni sodio incontrato i supercondensatori a ioni sodio

Arriva dalla Corea del Sud la prima batteria ibrida al sodio in grado di battere la tecnologia a ioni di litio a mani basse. Con ottime prestazioni lato di capacità di accumulo, potenza, velocità di carica e durata, come dimostra l’articolo pubblicato sulla rivista scientifica Energy Storage Materials (testo in inglese).

Nel 2020 le batterie a ioni sodio (Na+) hanno raggiunto prestazioni comparabili a quelle degli ioni di litio in termini di capacità e durata del ciclo in condizioni di laboratorio. Da allora il segmento ha continuato a macinare grandi progressi, spinto dall’esigenza globale di trovare una tecnologia di accumulo più economica delle ricaricabili al litio e meno dipendente dalle attuali catene di approvvigionamento dei materiali critici. L’ultimo grande risultato nel campo è quello segnato da un gruppo di scienziati del KAIST, il Korea Advanced Institute of Science and Technology.

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Il team guidato dal professor Jeung Ku Kang del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha messo a punto una batteria ibrida agli ioni di sodio dalle prestazioni eccellenti e in grado di ricaricarsi in pochi secondi. Il segreto? Un’architettura che integra materiali anodici propri delle batterie con catodi adatti ai supercondensatori.

Batteria ibrida al sodio, prestazioni record

In realtà non si tratta di un approccio nuovo. Gli stoccaggi ibridi con Na+ sono emersi negli ultimi anni come una promettente applicazione nel campo dell’energy storage in grado di superare i punti deboli degli accumulatori a ioni di sodio più conosciuti.

Tradizionalmente questo metallo è usato e studiato in due tipi di dispositivi di stoccaggio: batterie e condensatori. Le prime, come spiegato poc’anzi, forniscono oggi una densità di energia relativamente elevata ma sono caratterizzate da una lenta cinetica di ossidoriduzione, che si traduce in una bassa densità di potenza e una scarsa ricaricabilità. I secondi invece hanno un’elevata densità di potenza dovuta all’accumulo di carica tramite rapido adsorbimento di ioni superficiali, ma una densità di energia estremamente bassa.

Tuttavia unire le due tecnologie impiegando catodi di tipo condensatore e degli anodi di tipo batteria, non ha dato subito i risultati sperati. La causa è da ricercare soprattutto nello squilibrio cinetico tra i due tipi di elettrodi.

Nuovi materiali per catodo e anodo

Per arginare il problema il team sudcoreano ha utilizzato sviluppato un nuovo materiale anodico con cinetica migliorata attraverso l’inclusione di materiali attivi fini nel carbonio poroso derivato da strutture metallo-organiche. Inoltre, ha sintetizzato un materiale catodico ad alta capacità e la combinazione dei due ha consentito lo sviluppo di un sistema di accumulo di ioni sodio che ottimizza l’equilibrio e riduce al minimo le disparità nei tassi di accumulo di energia tra gli elettrodi.

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La cella completamente assemblata supera per densità di energia le batterie commerciali agli ioni di litio e presenta le caratteristiche della densità di potenza dei supercondensatori. Nel dettaglio la batteria ibrida al sodio si ricarica rapidamente e raggiunge una densità di energia di 247 Wh/kg e una densità di potenza di 34.748 W/kg. Inoltre gli scienziati hanno registrato una stabilità del ciclo con efficienza Coulombica pari a circa il 100% su 5000 cicli di carica-scarica.

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“.