Da consumers a prosumers: la sfida del settore residenziale e il ruolo di quello accademico

Per realizzare questo passaggio fondamentale e dare vita ad una nuova dimensione del settore residenziale, è evidente l’importanza di una forza lavoro con competenze avanzate nell’ambito della sostenibilità ed in particolar modo delle tecnologie a fonti rinnovabili.

di Luca Cioccolanti

(Rinnovabili.it) – Attualmente in Europa il settore residenziale è responsabile di oltre il 30% dei consumi finali di energia. Per tale motivo, il settore dell’edilizia gioca un ruolo cruciale nel raggiungere gli obiettivi energetici e ambientali fissati dall’UE. Per aumentare il rendimento energetico degli edifici, da alcuni anni l’UE ha definito un quadro legislativo volto a promuovere una serie di politiche mirate a rendere il patrimonio edilizio altamente efficiente e decarbonizzato entro il 2050. Grazie all’introduzione di tali normative, gli edifici di nuova costruzione presentano consumi energetici che sono oltre la metà di quelli degli edifici tipici degli anni ’80.

Nel resto del mondo, sebbene tali percentuali possano differire leggermente, l’impatto dell’edilizia nei consumi energetici globali resta sempre elevato. In linea con le azioni dell’UE, numerosi Stati hanno avviato politiche e piani strategici volti a ridurre tali consumi e a mitigare gli eventi climatici estremi che ciclicamente colpiscono città di ogni dimensione.

Al fine di evitare le catastrofiche conseguenze legate ai cambiamenti climatici che anche in questi giorni stanno interessando diverse regioni dell’Europa e del mondo, è chiaro come si renda necessario un cambio di paradigma in tutti i settori ed una penetrazione decisamente maggiore delle energie rinnovabili in sostituzione di quelli alimentate a combustibili fossili. Per vincere questa sfida volta a trasformare il sistema energetico globale in uno al 100% rinnovabile non si può prescindere dalla massima professionalità in tutti i settori ed in particolar modo in quello dell’ingegneria.

In tale contesto, il settore dell’edilizia è chiamato ad un avanzamento ulteriore attraverso una serie di misure capaci di trasformare l’attuale ruolo di consumers dei propri utenti nei cosiddetti prosumers, ovvero utenti non più unicamente consumatori ma essi stessi produttori di energia. Per realizzare questo passaggio fondamentale e dare vita ad una nuova dimensione del settore residenziale, è evidente l’importanza di una forza lavoro con competenze avanzate nell’ambito della sostenibilità ed in particolar modo delle tecnologie a fonti rinnovabili. Educare i futuri lavoratori con capacità tecniche, professionali e manageriali di alto livello allo sviluppo e alla promozione di tecnologie rinnovabili per soddisfare la domanda in modo sostenibile è tra le missioni di molti programmi universitari in tutto il mondo e da alcuni anni anche la stessa UE promuove programmi di cooperazione mirati ad accrescere le capacità del mondo accademico. Le conoscenze e le competenze acquisite a livello scolastico e universitario, infatti, non sempre si adattano alle esigenze pratiche delle industrie, allungando così il periodo di formazione dei nuovi assunti e diminuendo il conseguente potenziale impatto dei nuovi laureati.

Dato il ruolo cruciale che la questione riveste per le future generazioni, numerose sono le reti di collaborazione che sono state istituite in questi anni. Tra queste, il consorzio del progetto UE Skybelt, cofinanziato dall’UE nell’ambito del programma Erasmus+, intende migliorare le competenze e le capacità ingegneristiche nell’ambito delle tecnologie rinnovabili applicate all’ambiente costruito ad ogni livello del percorso universitario. La rete, coordinata dall’Università eCampus e che prevede il coinvolgimento di altre due Università Europee, sei Università Asiatiche e oltre 30 partners associati per lo più Cinesi, mira alla modernizzazione e all’allineamento dei programmi di studi delle Università coinvolte al fine di facilitare la diffusione delle tecnologie rinnovabili nel settore residenziale.

A tal fine, è stata inizialmente avviata un’indagine conoscitiva volta a quantificare le reali esigenze del mercato del lavoro dalla quale è emersa la necessità di figure professionali altamente competenti in grado di migliorare l’efficienza energetica e l’affidabilità delle nuove tecnologie e che siano al contempo capaci di gestire la transizione energetica mediante soluzioni ibride tradizionali-rinnovabili. L’interesse del mercato del lavoro sembra essere diversificato in una molteplicità di tecnologie ed applicazioni, mentre di primaria importanza sono risultate le competenze relative agli aspetti legati al controllo, al data analysis e all’integrazione di tali tecnologie rinnovabili con i sistemi di accumulo. Per maggiori dettagli si rimanda all’articolo di Analysis of labour market needs for engineers with enhanced knowledge in sustainable renewable energy solutions in the built environment in some Asian countries (Cioccolanti et al.) pubblicato su E3S Web of Confrences 238, 07004 (2021).

Pertanto, è evidente come le nuove figure richieste dal mercato del lavoro debbano avere competenze elevate e multidisciplinari ed essere in grado di trasformare l’edificio da sistema passivo a principale attore nel contesto delle nascenti comunità energetiche.

La sfida è da poco iniziata e il mondo universitario è chiamato a tracciarne la rotta.

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“.