La cogenerazione nel PAEE 2011

La bozza del secondo Piano per l’Efficienza Energetica redatta dal MSE conferma per il settore industriale un impegno di energia risparmiata pari a 6,3 TWh l’anno da conseguire tramite CAR

La bozza di Piano d’Azione Italiano per l’Efficienza Energetica (PAEE) di giugno 2011 è stata sottoposta a consultazione pubblica fino al 15 luglio 2011. Si attende, ora, che la versione finale venga trasmessa dal Ministero dello Sviluppo Economico alla Commissione Europea.

Redatto in ottemperanza della Direttiva 2006/32/CE, il PAEE è al primo aggiornamento dopo la sua pubblicazione nel 2007. Il MSE, inoltre, dovrà provvedere a produrre un terzo documento con due anni di anticipo rispetto alla scadenza del 2016, data per cui è fissato l’obiettivo di risparmio di energia primaria concordato in sede europea.

L’Italia si è assunta l’impegno di conseguire un risparmio pari al 9,6% del consumo medio annuo registrato nel periodo 2001-05. Tale traguardo si inserisce nel “pacchetto energia” dell’UE al 2020, che prevede una riduzione della domanda di energia primaria del 20%. Pur non essendo vincolante, il raggiungimento dell’obiettivo di efficienza energetica contribuirà positivamente a centrare anche la quota obiettivo di produzione da energie rinnovabili sui consumi finali, limitando questi ultimi. Ecco perché il PAEE sugli usi finali dell’energia si integra con il Piano d’Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili, il cui obiettivo ha carattere vincolante.

La quantità di risparmio energetico da conseguire nel 2010, fissata dal PAEE 2007 come traguardo intermedio, è stata superata, andando a toccare i 47,7 TWh/anno, cioè circa 12 TWh/anno in più rispetto a quanto previsto. Le modalità con cui si sono realizzati i risparmi si sono rivelate, invece, sostanzialmente diverse in confronto alle previsioni, ma, nel complesso, le forme di incentivazione, tra le quali le detrazioni fiscali e i titoli di efficienza energetica sono le principali, hanno svolto efficacemente la loro funzione.

La cogenerazione è una tecnologia inclusa tra gli interventi di miglioramento dell’efficienza energetica individuati dalla Direttiva, grazie al risparmio di energia primaria che è possibile ottenere rispetto alla generazione separata di energia elettrica ed energia termica. Il PAEE 2007 attribuiva alle nuove installazioni cogenerative ad alto rendimento in ambito industriale un obiettivo di risparmio di 2.093 GWh/anno al 2010, che è stato superato (2.493 GWh/anno a consuntivo), e 6.280 GWh/anno al 2016 (confermato dal PAEE 2011). In termini percentuali, le cifre riportate significano il 5,2% del totale del risparmio energetico conseguito nel 2010 e il 5,0% rispetto ai 126.540 GWh/anno di energia da risparmiare al 2016.

Sono quote che effettivamente sembrano marginali per una tecnologia consolidata che vanta di rappresentare il 17% della produzione totale di energia elettrica nel Paese (dato MSE 2010). Tuttavia, occorre osservare che in esse non viene compreso il contributo apportato dalle nuove installazioni nel settore civile, per le quali l’AEEG ha individuato un’apposita scheda tecnica (21-bis) per la quantificazione dei risparmi ai fini dell’emissione di certificati bianchi secondo il sistema oramai superato.

E occorre osservare, soprattutto, che, fino a poco tempo fa, la cogenerazione ad alto rendimento non poteva contare sul nuovo sistema di incentivazione approvato con il D.M. del 5 settembre 2011. Esso sembra poter definitivamente rimuovere i freni che ancora ostacolano lo sviluppo a livello diffuso di questa tecnologia, in grado di contribuire da subito e in maniera incisiva al rinnovamento efficiente del parco impianti ed alla transizione verso la generazione distribuita dell’energia.

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“.