Solare termodinamico: addio oli e sali, basta solo la sabbia del deserto

Dimostrato negli Emirati Arabi come la sabbia possa essere impiegata con successo negli impianti di solare termodinamico per immagazzinare l’energia termica fino a 1000° C, senza bisogno di un fluido termovettore

(Rinnovabili.it) – Accumulo energetico a chilometri zero per il solare termodinamico degli Emirati Arabi. Un team di ingegneri del Masdar Institute of Science and Technology era alla ricerca di un materiale economico a facilmente reperibile per stoccare l’energia termica negli impianti solari a concentrazione. Perché allora non guardare ad una delle materie prime più abbondanti a livello locale? Nasce così Sandstock, progetto di ricerca che ha sviluppato un sistema di raccolta e stoccaggio dell’energia solare low cost, a base unicamente di particelle di sabbia del deserto. In realtà l’utilizzo di questa materiale per lo storage non è una novità: accumulatori solidi sono spesso usati all’interno di sistemi duali in coppia con fluidi termovettori. Tuttavia se i primi sono elementi economici – per l‘appunto sabbia, calcestruzzo o rocce – i secondi, tipo gli oli termici, sono decisamente più cari (a meno che non si usi come fluido l’aria, come nel caso dell’impianto STEM).

L’approccio scelto dai ricercatori di Sandstock elimina completamente dall’equazione proprio il componente più costoso, facendo fare tutto il lavoro – raccolta, trasferimento e immagazzinamento del calore – alla sabbia e alla gravità. La chiave del progetto è il nuovo design, letteralmente ispirato ad una tradizionale clessidra: il sistema è dotato di un serbatoio freddo dove si trova inizialmente la sabbia a forma di cilindro cavo. Aprendo una valvola, i granelli scivolano nel serbatoio sottostante chiamato “serbatoio caldo”, riscaldandosi sotto l’azione della luce solare concentrata. Quando necessario, uno scambiatore di calore in tre fasi – costituito da un preriscaldatore, un evaporatore e un surriscaldatore – verrà quindi immerso nella sabbia in movimento, producendo vapore surriscaldato e quindi elettricità.

Il Dr. Behjat Al Yousuf, coautore della ricerca ha spiegato i risultati raggiunti fino ad ora: “Le analisi hanno dimostrato che è possibile utilizzare sabbia del deserto come materiale TES fino a 800-1000 ° C. La composizione chimica di sabbia è stato analizzato con la fluorescenza a raggi X (XRF) e tecniche di diffrazione dei raggi X (XRD), che rivelano la dominanza di quarzo e materiali carbonatici”.

“La disponibilità di questo materiale in ambienti desertici, come gli Emirati Arabi Uniti consente significative riduzioni dei costi nei nuovi impianti di solare termodinamico, che possono utilizzare quindi la sabbia sia come materiale TES che come assorbitore solare”, ha aggiunto il collega Nicolas Calvet. Parallelamente alla caratterizzazione della sabbia, il progetto ha realizzato e testato un prototipo su scala di laboratorio su un piccolo forno solare da 1 MW presso il laboratorio del CNRS PROMES, in Francia. Il passo successivo sarà quello di testare un prototipo su scala pre-commerciale presso la Piattaforma Solare del Masdar Institute.

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“.