Per affrontare la doppia crisi energetica e climatica, non dimentichiamoci della domanda di energia 

"Affrontare solo il lato dell’offerta, che si occupa di come generare l’energia, semplicemente non è abbastanza. Dobbiamo guardare anche l’altra faccia della moneta, ovvero il lato della domanda", scrive Olivier Blum di EVP Energy Management di Schneider Electric

In collaborazione con Schneider Electric 

di Olivier Blum

Un centro commerciale nuovo di zecca ha aperto nel 2022, in un’area ricca e in rapida crescita della città di Helsinki. Fa parte di Lippulaiva, un complesso da 117.000 metri quadrati che ospita anche una biblioteca, un centro fitness, un asilo d’infanzia, spazi per uffici, appartamenti, una stazione della metropolitana e un terminal bus. 

Un impianto geotermico provvede a quasi tutte le necessità di riscaldamento e condizionamento. Pannelli solari installati sul tetto e sulle superfici esterne generano elettricità per scale mobili e ascensori del centro commerciale e per l’illuminazione degli spazi pubblici del centro. Sistemi di gestione intelligente dell’energia ottimizzano i consumi, ad esempio riducendo temporaneamente il condizionamento dell’aria quando i consumi elettrici raggiungono il loro picco. 

Questo progetto è un bellissimo esempio, che mette in luce i tanti strumenti a disposizione per ridurre le emissioni di gas serra e allo stesso tempo aumentare l’efficienza energetica e la resilienza. Raggiungere entrambi questi obiettivi non è mai stato tanto importante come oggi; mentre ci muoviamo nel quadro della doppia crisi climatica ed energetica, dobbiamo usare tutta la cassetta degli attrezzi, per ottimizzare sia la domanda sia l’offerta di energia, su larga scala e velocemente. 

Le due facce della moneta dell’energia

I governi in Europa, Stati Uniti, Giappone, India e altri paesi hanno intensificato in modo significativo i loro impegni sul clima, in parte sulla spinta dei rivolgimenti geopolitici e climatici del 2022. 

Fino ad oggi la massima parte dello sforzo si è concentrato sul lato dell’offerta: ovvero, sul promuovere e facilitare la generazione di energia pulita prodotta localmente dal sole, dal vento e da altre fonti naturali. Questi sforzi hanno accelerato in modo importante la crescita delle rinnovabili negli ultimi anni, facendone in parallelo diminuire il costo – al punto che oggi le rinnovabili sono la fonte più economica di nuova energia all’ingrosso, per oltre due terzi della popolazione mondiale. 

Nonostante ciò, aumentare l’uso di energia pulita a scapito delle fonti fossili – per quanto vitale – richiede tempo e un’intensa lotta politica, come ha evidenziato anche la conferenza COP 27 che si è tenuta lo scorso novembre in Egitto. 

Pertanto, affrontare solo il lato dell’offerta, che si occupa di come generare l’energia, semplicemente non è abbastanza. Dobbiamo guardare anche l’altra faccia della moneta – ovvero il lato della domanda nell’equazione energetica: come consumare l’energia, un elemento che nel complesso incide per il 55% nella soluzione che ci permetterebbe di realizzare un’energia net-zero entro il 2050. 

L’altra faccia della moneta energetica: il protagonista che nessuno celebra e produce risultati rapidi, a portata di mano

Detto in modo semplice, si tratta di lavorare sull’efficienza energetica e sull’elettrificazione: questi due elementi, uniti agli strumenti digitali giusti, definiscono la prossima rivoluzione energetica, che noi chiamiamo Elettricità 4.0. 

E’ vero: la domanda di energia e l’efficienza fanno meno notizia e attirano meno l’attenzione sui media e nei circoli politici rispetto al tema della generazione e dell’offerta. Anche tra i leader delle grandi aziende mondiali, l’enorme potenziale trasformativo dell’elettrificazione e delle tecnologie per aumentare l’efficienza dal lato della domanda viene ancora sottovalutato. 

Nel 2022 abbiamo commissionato una ricerca indipendente che ha coinvolto oltre 500 executive di alto livello (C-Suite): da essa è emerso che nonostante la sostenibilità sia in cima alla loro agenda, solo circa la metà delle aziende intervistate sta intervenendo sugli elementi base per ottenerla, e la gran parte non sta prendendo in considerazione tutto il mix di strumenti per la decarbonizzazione che oggi sono disponibili. 

Fino a un certo punto questo è comprensibile. Dopo tutto ottimizzare con strumenti digitali il condizionamento dell’aria o introdurre il riscaldamento elettrico non sono, semplicemente, azioni di grande appeal o che ispirano – anche a livello visivo – come impianti solari che abbracciano un paesaggio o torreggianti turbine elettriche. Inoltre, dato che l’efficienza energetica è qualcosa che si ottiene in modo distribuito, con milioni di azioni in milioni di luoghi – case, fabbriche, uffici, sistemi di trasporto, centri commerciali – è più difficile notarne l’impatto. 

Ciò significa che il mondo delle aziende e il mondo politico, così come la gran parte del pubblico, deve ancora rendersi conto dei tanti vantaggi dell’efficienza energetica, che si possono raggiungere con strumenti relativamente economici, rapidi e semplici da adottare. Sono, per così dire, i protagonisti che nessuno celebra del nostro percorso per ottenere una maggiore sicurezza energetica e climatica.  

Chi sono? Stiamo parlando di sistemi digitali di gestione dell’energia degli edifici, che analizzano i dati in tempo reale per individuare in modo istantaneo e eliminare gli sprechi di energia. Di software di automazione che possono ottimizzare i processi di manutenzione, di produzione, di progettazione e l’uso dell’energia negli impianti industriali e nell’intera supply chain. Di pompe di calore elettriche e di veicoli elettrici, che non sono soltanto più puliti ma anche molto più efficienti delle loro controparti alimentate con carburanti fossili. 

Queste sono tutte tecnologie che esistono qui ed ora. Non richiedono anni di sviluppo o di trasformare completamente interi settori industriali, o di inventare tecnologie interamente nuove. Sono il modo più veloce per accelerare la transizione energetica di cui il mondo ha urgente bisogno. Oltre l’80% dei nostri risparmi di emissioni di CO2, da qui al 2030, può arrivare dall’utilizzo di tecnologie già commercializzate. 

Gli strumenti di cui stiamo parlando, inoltre, offrono un ritorno sull’investimento (ROI) molto più rapido di quanto molti credano. Ad esempio, l’insieme delle soluzioni integrate adottate nel progetto del centro Lippulaiva si ripagherà in appena cinque anni. Quando lavoriamo con i nostri clienti per installare soluzioni digitali di gestione dell’energia in edifici esistenti, vediamo un ROI che sta appena tra i 2 e il 5 anni. La soluzione alla crisi energetica ci sta guardando in faccia: il risparmio sulla bolletta energetica che si può raggiungere adottando sistemi domestici smart, considerando le case più efficienti e quelle meno efficienti, può tipicamente arrivare al 40% ma anche fino al 75%. 

Efficienza energetica e elettrificazione: creare una strategia, digitalizzare e decarbonizzare 

Addentrandoci nel 2023 e nel futuro, una cosa ci deve essere chiara: dobbiamo agire adesso, con tutti gli strumenti a nostra disposizione, per evitare i peggiori effetti della crisi energetica e climatica. 

Questo significa dare più attenzione a tutte quelle azioni di adattamento tutt’ora poco considerate, ma efficienti dal punto di vista dei costi e tecnicamente fattibili, che possiamo intraprendere per ottimizzare il consumo di energia. 

Di conseguenza, il nostro suggerimento rivolto ad aziende, sviluppatori immobiliari, famiglie di tutto il mondo è: dedicate più tempo a capire meglio la gamma di tecnologie, modelli di riferimento e strumenti che possono permettere di ridurre i costi e le emissioni di anidride carbonica, e in ultima analisi farvi acquistare in modo più intelligente energia pulita. Non sottostimate il potenziale dell’Elettricità 4.0 in termini di elettrificazione e di strumenti digitali per l’efficienza, che possono ridurre l’impronta di CO₂ in edifici di nuova costruzione, in edifici esistenti sottoposti a riqualificazione, in interi quartieri e città. 

Aggiungendo anche tecnologie per fornire energia pulita – come ha scelto di fare Citycon, che si è occupata dello sviluppo del complesso di Lippulaiva, e come abbiamo fatto anche noi nella nostra nuova sede IntenCity in Francia – gli obiettivi net zero possono realizzarsi molto più velocemente e economicamente di quanto si immagini. 

La nostra raccomandazione ai decisori politici è questa: non limitate le vostre iniziative legislative al tema della generazione di energia pulita. Offrite più incentivi con norme che aumentino la domanda di soluzioni digitali per l’efficienza energetica e di elettrificazione, sia da parte dei consumatori sia da parte degli altri utenti, a minor costo per il contribuente. Ricordate che questi interventi sul lato della domanda possono, in cambio, accelerare anche il passaggio a fonti di energia pulita dal lato dell’offerta. 

E’davvero una cosa evidente: l’elettrificazione e l’efficienza energetica offrono risultati positivi e rapidi. Non mettiamo a rischio il nostro futuro giocando “a testa o croce”: assicuriamoci di vedere entrambe le facce della moneta.  

di Olivier Blum, EVP Energy Management, Schneider Electric 

La versione originale di questo articolo è stata pubblicata sul sito web del World Economic Forum, qui: https://www.weforum.org/agenda/2023/01/energy-demand-energy-and-climate-crises-davos23/

Il Ministero dell'Ambiente pubblica gli esiti della consultazione pubblica sul Decreto Ministeriale FER X, chiusa lo scorso settembre. Dai 46 soggetti partecipanti emerge l'esigenza di conoscere per tempo tutte le informazioni utili alla programmazione degli investimenti nelle rinnovabili. Chiesti chiarimenti sul processo autorizzativo e sulle tempistiche

Decreto FERX, nuovi spunti di riflessione

Servono maggiori informazioni sui coefficienti sul prezzo d’aggiudicazione, sui criteri di priorità, sulla documentazione per l’accesso al meccanismo e sulle tipologie di interventi ammessi. In particolare quando si tratta di progetti di “rifacimento” e “potenziamento”. Queste alcune delle principali richieste emerse dalla consultazione pubblica sul Decreto FERX. La scorsa estate il Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza energetica aveva pubblicato lo schema del provvedimento per una raccolta di pareri da parte degli stakeholder, con l’obiettivo di condividerne le logiche. Oggi il MASE rende noti gli esiti di tale consultazione puntando i riflettori sugli spunti e le richieste emerse da parte dei 46 soggetti partecipanti. 

Gli esiti della consultazione pubblica

Ricordiamo che il Decreto FERX nasce con lo scopo di definire un meccanismo di supporto espressamente dedicato ad impianti a fonti rinnovabili con costi di generazione vicini alla competitività. Come? Tramite contratti CfD a valere sull’energia elettrica prodotta dagli impianti. Con un accesso diretto per quelli di taglia inferiore al MW, e tramite aste al ribasso per quelli di taglia uguale o superiore al MW. Ed è proprio su queste due modalità che arrivano le prime considerazioni.

Per la maggior parte dei soggetti che hanno risposto alla consultazione, il contingente di 5 GW per gli impianti FER ad accesso diretto non sarebbe sufficiente, soprattutto vista la grande attenzione che stanno ricevendo al livello di investimento i sistemi di piccola taglia.

Per quanto riguarda l’accesso tramite asta, invece, il parere generale condivide i contingenti individuati, che secondo l’ultima bozza pubblicata oggi sarebbero: per il fotovoltaico 45 GW; per l’eolico di 16,5 GW; per l’idroelettrico di 630 MW; per i gas residuati 20 MW. “Tuttavia – si legge nel documento del MASE – congiuntamente alla risposta positiva sono state proposte diverse modifiche (aumento di uno specifico contingente, creazione di nuovo contingente, meccanismi di riallocazione della potenza non assegnata, ridefinizione dei contingenti al fine di favorire lo sviluppo dei PPA, etc.)”. Tra gli spunti emersi c’è la proposta di contingenti separati tra il fotovoltaico a terra e sul tetto.

Proposti nuovi requisiti di accesso e tempistiche

In tema requisiti d’accesso, alcuni soggetti chiedono l’incremento della soglia di potenza per l’accesso diretto, l’aggiunta dei criteri ESG, la reintroduzione del requisito specifico che attesti la capacità finanziaria ed economica di chi partecipa al meccanismo del Decreto FERX.

“Con riferimento ai tempi massimi individuati per la realizzazione degli interventi, la consultazione ha evidenziato un forte distaccamento con le aspettative degli operatori. Per quanto detto diversi soggetti propongono per una o più fonti l’innalzamento dei tempi previsti, chiedendo di tenere in considerazione parametri quali, la potenza e/o la tipologia d’intervento, l’ottenimento dei titoli autorizzativi, i tempi di realizzazione della connessione e quelli dovuti agli approvvigionamenti, che sottolineano, potrebbero oltretutto determinare un aumento dei costi, visto anche i meccanismi incentivanti”, si legge ancora nel documento.

Per i tempi di comunicazione della data d’entrata in esercizio dell’impianto, emerge nel complesso l’esigenza di un prolungamento, aggiungendo da più 60 giorni a 12 mesi. Viene anche evidenziata una certa contrarietà all’obbligo per gli operatori di impianti rinnovabili non programmabili che stipula un contratto CfD ad abilitarsi alla fornitura dei servizi di dispacciamento.

Un gruppo di scienziati del KAIST ha sviluppato una batteria a ioni di sodio ad alta energia, ad alta potenza e di lunga durata

Quando le batteria a ioni sodio incontrato i supercondensatori a ioni sodio

Arriva dalla Corea del Sud la prima batteria ibrida al sodio in grado di battere la tecnologia a ioni di litio a mani basse. Con ottime prestazioni lato di capacità di accumulo, potenza, velocità di carica e durata, come dimostra l’articolo pubblicato sulla rivista scientifica Energy Storage Materials (testo in inglese).

Nel 2020 le batterie a ioni sodio (Na+) hanno raggiunto prestazioni comparabili a quelle degli ioni di litio in termini di capacità e durata del ciclo in condizioni di laboratorio. Da allora il segmento ha continuato a macinare grandi progressi, spinto dall’esigenza globale di trovare una tecnologia di accumulo più economica delle ricaricabili al litio e meno dipendente dalle attuali catene di approvvigionamento dei materiali critici. L’ultimo grande risultato nel campo è quello segnato da un gruppo di scienziati del KAIST, il Korea Advanced Institute of Science and Technology.

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Il team guidato dal professor Jeung Ku Kang del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha messo a punto una batteria ibrida agli ioni di sodio dalle prestazioni eccellenti e in grado di ricaricarsi in pochi secondi. Il segreto? Un’architettura che integra materiali anodici propri delle batterie con catodi adatti ai supercondensatori.

Batteria ibrida al sodio, prestazioni record

In realtà non si tratta di un approccio nuovo. Gli stoccaggi ibridi con Na+ sono emersi negli ultimi anni come una promettente applicazione nel campo dell’energy storage in grado di superare i punti deboli degli accumulatori a ioni di sodio più conosciuti.

Tradizionalmente questo metallo è usato e studiato in due tipi di dispositivi di stoccaggio: batterie e condensatori. Le prime, come spiegato poc’anzi, forniscono oggi una densità di energia relativamente elevata ma sono caratterizzate da una lenta cinetica di ossidoriduzione, che si traduce in una bassa densità di potenza e una scarsa ricaricabilità. I secondi invece hanno un’elevata densità di potenza dovuta all’accumulo di carica tramite rapido adsorbimento di ioni superficiali, ma una densità di energia estremamente bassa.

Tuttavia unire le due tecnologie impiegando catodi di tipo condensatore e degli anodi di tipo batteria, non ha dato subito i risultati sperati. La causa è da ricercare soprattutto nello squilibrio cinetico tra i due tipi di elettrodi.

Nuovi materiali per catodo e anodo

Per arginare il problema il team sudcoreano ha utilizzato sviluppato un nuovo materiale anodico con cinetica migliorata attraverso l’inclusione di materiali attivi fini nel carbonio poroso derivato da strutture metallo-organiche. Inoltre, ha sintetizzato un materiale catodico ad alta capacità e la combinazione dei due ha consentito lo sviluppo di un sistema di accumulo di ioni sodio che ottimizza l’equilibrio e riduce al minimo le disparità nei tassi di accumulo di energia tra gli elettrodi.

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La cella completamente assemblata supera per densità di energia le batterie commerciali agli ioni di litio e presenta le caratteristiche della densità di potenza dei supercondensatori. Nel dettaglio la batteria ibrida al sodio si ricarica rapidamente e raggiunge una densità di energia di 247 Wh/kg e una densità di potenza di 34.748 W/kg. Inoltre gli scienziati hanno registrato una stabilità del ciclo con efficienza Coulombica pari a circa il 100% su 5000 cicli di carica-scarica.

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“.