SDE: ‘Med in Italy’ ai primi posti della classifica

Sono iniziate ieri le dieci gare che vedranno sfidarsi i prototipi super efficienti. Primi classificati per il concept "Architettura" i francesi con CANOPEA, seguiti da Germania e Italia.

Prosegue a pieno regime il Solar Decathlon Europe 2012, le Olimpiadi dell’architettura ad emissioni zero concepita e costruita da team universitari, che fino al 30 settembre si sfideranno sul campo di battaglia di Villa Solar a Madrid, confrontandosi su 10 differenti tematiche strettamente legate all’efficienza energetica, alla sostenibilità ed alla tecnologia. Importante riconoscimento per il prototipo tutto italiano che si trova tra le prime tre posizioni della classifica generale aggiornata in tempo reale. I primi due contest, rispettivamente “Architettura” e “Ingegneria e Costruzioni” hanno già annunciato i primi prototipi vincitori di categoria guadagnandosi punti cruciali in vista della premiazione finale

Per la categoria ARCHITETTURA si è aggiudicato il primo posto il progetto dell’università francese di Rhône-Alpes con il loro progetto “Canopea” segnalato dalla giuria per le interessanti soluzioni di design applicate per favorire il massimo comfort senza dimenticarsi dell’ambiente. Secondo posto per l’equipe tedesca della RWTH Aachen University e terzo posto per il progetto italiano MED in Italy.

CANOPEA (Francia) – 1° concept “Architettura”

Creato nel 2009 da studenti provenienti da diversi istituti universitari, il prototipo realizzato dal team francese di Rhône-Alpes vuole rispondere prima di tutto al problema della densità urbana, ideando oltre che un singolo modello abitativo, anche un intero agglomerato urbano. Il team francese ha perciò elaborato la”nanotower“, ovvero una torre dalla dimensioni contenute, composta da tanti moduli abitativi indipendenti, impilati tra loro ed alternati con uffici, negozi e servizi. Collegando a loro volte le varie torri attraverso corridoi sopraelevati si creano nuove comunità, nuovi quartieri o addirittura nuove città, dove i servizi comunemente collocati sul piano strada vengono spostati all’interno delle torri, inserite all’interno di una grande smart grid energetica.

Il Prototipo presentato al SDE rappresenta un estratto degli ultimi due livelli della casa torre, dove per altro trovano posto gli spazi comuni ed i servizi energetici, quali i pannelli fotovoltaici, il solare termico, il sistema di raccolta delle acque piovane e la vegetazione pensile. Vincitore del contest”Architettura” il prototipo di Canopea si basa su due concetti base: modularità e flessibilità. Tutti gli spazi interni sono trasformabili, mantenendo inalterato il livello di comfort di esposizione e di ventilazione naturale, e destinando il passaggio degli impianti e delle reti in un unico nucleo interno prefabbricato. Ovviamente è garantita la completa indipendenza energetica sia grazie alle strategie attive (PV,solare termico, raccolta acque, pannelli radianti) che alle strategie passive (ventilazione naturale, involucro altamente isolante, brise-soleil, esposizione).

COUNTER ENTROPY (Germania) – 2° concept “Architettura”

Quasi 50 studenti compongono il team proveniente dalla RWTH Aachen University (Germania) autore del prototipo “Counter Entropy”, dove la produzione di energia rinnovabile solare, la riduzione dei rifiuti ed il loro riutilizzo e la salvaguardia dell’ambiente anche attraverso la conservazione delle risorse, sono i pilastri fondanti del progetto. Il prototipo si sviluppa su un unico piano orizzontale, sopraelevato rispetto al terreno e coronato da una struttura di copertura piuttosto importante, soprannominata “Climate-Roof”, realizzata seguendo un sistema ingegneristico solitamente utilizzato per la costruzione dei ponti, che ha permesso di liberare gli spazi interni dalla struttura portante e di trasformare lo stesso tetto nel “contenitore” degli impianti tecnologici per la produzione di energia.

Caratteristica interessante del prototipo tedesco son o i materiali utilizzati per la sua costruzione tutti provenienti da processi di riciclo o addirittura recuperati da precedenti costruzioni, come le travi di legno appartenenti ad uno stadio qui usate per il pavimento, vecchi CD utilizzati per costruire le pareti interne o ancora i mobili in legno provenienti dalle discariche. Un ulteriore punto a favore del “Counter Entropy” è la soluzione impiantistica adottata per alimentare la casa, in grado attraverso un particolare processo, di produrre energia termica senza ricorrere ai processi termodinamici e perciò con la necessità di alimentare con energia elettrica solo le pompe di calore.

MED IN ITALY (Italia) – 3° concept “Architettura”

Tra i primi classificati per le premiazioni del concept dedicato all’architettura troviamo anche il prototipo italiano “MED in Italy”, ideato dall’Università Roma Tre con la collaborazione della Sapienza e realizzato a Bolzano presso RubnerHaus. Nato per soddisfare le esigenze abitative tipiche del sud del Mediterraneo, il prototipo italiano produce energia e consuma 5 volte in meno rispetto ad una tradizionale abitazione. Le strategie progettuali prendono spunto diretto dalla tradizione, realizzando un involucro perfettamente isolato in qualunque periodo dell’anno.

Cinque le parole chiave che lo stesso team ideatore ha coniato per MED in Italy: Passiva, grazie alla soluzione a pacchetto adottata per realizzare l’involucro preassemblato in fabbrica e riempito in loco con inerti naturali; Attiva, generando più energia di quella richiesta grazie al PV e applicando sistemi domotici di alto profilo; Rapidità, per ridurre i costi, migliorare le prestazioni e contrarre i tempi di realizzazione, servendosi dei processi di industrializzazione e minimizzando le difficoltà di trasporto; Ecoattenta sia nel’impiego dei materiali che nel loro ciclo di vita; Densa, riferendosi alla densità abitativa della struttura che consente minore uso del territorio, ma anche costi di costruzione ridotti.

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“.