Il fotovoltaico indiano si sposta dalla terra all’acqua

La difficoltà di assicurarsi grandi appezzamenti di terreno sta spostando le centrali solari sui corpi idrici del Paese

I trend “acquatici” del fotovoltaico indiano

(Rinnovabili.it) – In India centinaia di megawatt solari sono in fase di realizzazione su bacini artificiali e dighe. Negli ultimi anni il solare galleggiante è divenuto il nuovo trend energetico del paese sotto la spinta incessante della National Solar Mission. Alla base di questa passione per l’acqua da parte del fotovoltaico indiano c’è essenzialmente la difficoltà per utility e compagnie energetiche di accaparrarsi grandi appezzamenti di terreno dove costruire le centrali. Così, in poco tempo, gli impianti flottanti sono passati dall’essere un esperimento a costruire una vera e propria nicchia di mercato. L’ultimo progetto in tal senso appartiene a Greenam Energy, l’unità rinnovabile del conglomerato AM International, che ha annunciato l’installazione di 24 MW di capacità galleggiante in un bacino industriale di Tuticorin, città situata sulla punta meridionale dell’India. La struttura alimenterà un’azienda produttrice di fertilizzanti e venderà l’elettricità in eccesso alla rete.

>>Leggi anche 722 MW di fotovoltaico galleggiante per l’idroelettrico indiano<<

Ma quest’anno diverse aste solari dovrebbero far premere l’acceleratore al segmento, come quella indetta dalla National Thermal Power Corporation (NTPC) per un progetto da 100 MW nello stato dell’Andhra Pradesh. D’altra parte NTPC, il più grande conglomerato energetico dell’India, ha un programma preciso per divenire leader del settore: l’azienda ha circa 650 MW di progetti solari galleggianti in cantiere, alcuni dei quali saranno realizzati addirittura sui serbatoi idrici delle sue centrali a carbone. “Dighe e altri corpi idrici stagnanti rappresentano obiettivi di facile portata per le centrali fotovoltaiche flottanti”, spiega a BloombergNEF Vivek Jha, il co-fondatore di Yellow Tropus. “È una combinazione ideale di giallo e blu per dare energia verde”.

Ed è la stessa BloombergNEF a pronosticare un ruolo di primo piano per il fotovoltaico indiano sull’acqua. “Le centrali solari galleggianti possono aiutare a spostare l’India più vicino al suo ambizioso obiettivo di installazione del 2022 (vale a dire 100 GW fotovoltaici)”, ha affermato l’analista Rohit Gadre. Secondo i dati della Banca Mondiale, il Paese ha un potenziale invidiabile con cui contribuire al raggiungimento dei 400 GW potenziali a livello mondiale (dati del Where Sun Meets Water). L’istituto finanziario ritiene che la nazione, insieme alla Cina e al Sud-Est asiatico, continuerà a guidare lo sviluppo globale del solare galleggiante, come fatto nel passato quando il comparto è passato dai 10 MW del 2014 agli attuali 1,3 GW installati nel mondo.

>>leggi anche In Cina l’impianto fotovoltaico galleggiante più grande al mondo<<

Diverse sfide, tuttavia, restano aperte. Ogni impianto ha bisogno di un design personalizzato e le tariffe di vendita dell’elettricità prodotta devono poter esser competitive, senza diminuire la qualità del progetto. Il prossimo passo? Gare d’appalto per l’accoppiata fotovoltaico flottante con accumulo. La Solar Energy Corporation of India, società del ministero indiano dell’Energia, ha già preparato la prima asta mettendo in gara un 20 MW+60 MW nelle isole Lakshadweep.

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. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

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“.