Ecoquartiere ‘evergreen’ ad impatto Zero

Si chiama "Grow Community", l'Ecoquartiere in costruzione a Seattle che entro pochi anni ospiterà 131 unità ad emissioni ed energia zero, servito da car-sharing elettrico e orti urbani

Una comunità sempre più green quella che si sta sviluppando nei dintorni della città statunitense di Seattle, che dopo aver accolto lo sviluppo del quartiere Carbon Neutral zHome, si prepara al completamento di un nuovo agglomerato urbano ad alta efficienza energetica ed alta qualità della vita. Collocato esattamente dalla parte opposta dello Stretto rispetto alla cittadina di Issaquah che ospita zHome, la nuova comunità sostenibile battezzata “Grow Community” sorge vicino a Winslow sulle Bainbridge Island.

Gli 8 ettari dell’area  net-zero energy si svilupperanno secondo una serie di micro-quartieri composti da più unità abitative dislocate attorno ad un unico giardino. Una volta ultimato Grow Community comprenderà complessivamente 131 unità abitative, distribuite tra 50 unifamiliari in vendita ed 81 nuclei plurifamiliari per l’affitto. Al momento sono state completate tre unità tipo che serviranno a promuovere Grow Community, mostrando le notevoli potenzialità per quanto riguarda l’efficienza energetica, i consumi ridotti, ed ovviamente anche la funzionalità e il design delle abitazioni.

Questo quartiere rappresenta inoltre la prima One Planet Community del Nord America, un sisteam di certificazione istituito per realizzare Comunità sostenibili sia dal punto di vista energetico che per gli stili di vita dei suoi abitanti.

CARBON NEUTRAL – Le abitazioni che compongono la Grow Community, progettate dal team della Davis Studio Architecture + Design, sono delle vere e proprie bioarchitetture, alimentati unicamente dall’energia rinnovabili proveniente dai pannelli fotovoltaici e di conseguenza ad emissioni zero. Inoltre la parziale prefabbricazione di alcuni elementi strutturali in legno ed acciaio, consente di velocizzare il processo costruttivi e l’assemblaggio, dimezzando gli sprechi ed i consumi, ma senza perdere qualità ed efficienza. Basta una settimana per assemblare la struttura edilizia, passando immediatamente agli impianti ed agli elementi tecnologici, pronti in meno di 4 mesi.

EFFICIENZA ENERGETICA – Oltre ai pannelli fotovoltaici posti sulle coperture, ciascuna abitazione è servita dal solare termico per l’ACS e per il sistema di climatizzazione, integrato alla pompa di calore, ai ventilatori con recupero di calore ed ai pannelli radianti a pavimento. Completano il quadro dell’efficienza gli elettrodomesrtici in calsse A++, l’elevato isolamento dell’involucro esterno e delle finestre.

SALUBRI E SICURE – Solo materiali naturali e certificati verranno impiegati per la costruzione dell’ecocomunità, mettendo al bando VOC, collanti e sigillanti chimici e quasi completamente il PVC, preferendo invece il legno e gli isolanti naturali.

CAR SHARING ELETTRICO – Dimenticatevi assicurazioni, leasing e finanziamenti, nel nuovo insediamento di Seattle ciascun abitanti avrà la possibilità di servirsi della flotta di auto elettriche per il car-sharing. Ad integrare il trasporto privato ci penserà la fitta rete di trasporto pubblico collocata ai confini degli otto acri della green community e perfettamente servita dalla trama dei percorsi ciclo-pedonali calibrati apposta per la nuova comunità.

COMMUNITY FARM – Oltre ad essere inserito in un contesto ricco di spazi verdi, Grow Community permetterà ai suoi futuri abitanti di realizzare una serie di orti urbani a disposizione dell’intera comunità, dove coltivare  cibi di prima necessità, trasformandola in tutti gli effetti in una comunità a basso impatto ambientale.

Al momento le ecoabitazioni già costruite sono tre, Ocean, Everett, Aria, a completamento della prima fase di sviluppo indispensabile per iniziare a promuovere la comunità in costruzione, raccogliendo una parte dei finanziamenti n ecessaria al completamento, direttamente dai futuri abitanti. Le richieste sono già numerose, in parte per il prezzo decisamente abbordabile per questa zona (300 mila dollari, rispetto ai 550 della media locale), ma soprattutto per il risparmio futuro che si potrà ricevere abitanto in queste Ecoabitazioni ad alta efficienza.

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“.