Rinnovabili • Smart Circular City

Smart Circular City, un nuovo paradigma di sostenibilità

Le Smart Circular Cities rappresentano una concreta possibilità di guidare le città verso un percorso di sviluppo sostenibile, grazie all’inclusione di tecnologie abilitanti, servizi intelligenti e strategie verdi.

Smart Circular City
via depositphotos.com

di Laura Luigia Martini e Stefano Martinaglia

(Rinnovabili.it) – Nell’attuale panorama evolutivo verso un modello di economia circolare, si evidenzia sempre più il ruolo cruciale delle città. La transizione può essere resa possibile tramite il rilancio della qualità delle città con programmi integrati di rigenerazione urbana, in linea con il modello europeo di città verdi. Questa rigenerazione deve mirare a soddisfare le diverse esigenze e l’alto livello di funzionalità ecologiche del sistema urbano tramite la riabilitazione, la riqualificazione e il riutilizzo di aree abbandonate o degradate e del parco immobiliare in disuso.

Il processo di rigenerazione e di nuova progettazione delle città può essere supportato da una coerente applicazione di tecnologie abilitanti in ambito urbano che, considerando i suoi sistemi e il coinvolgimento dei cittadini, può dare vita ad una Smart City.

I trend attuali di progettazione delle Smart Cities nel mondo evidenziano il ricorso crescente a modelli di progettazione integrata tra nuovi modelli di economia circolare, tecnologie abilitanti e digitali – proposte in Italia dal Piano Nazionale Industria 4.0 del Ministero dello Sviluppo Economico – modelli di organizzazione e gestione dei servizi innovativi (es. smart water management, smart waste management, smart energy & smart grid management etc.). 

Tali approcci permettono di attuare pratiche di sviluppo urbano sostenibile e controllate anche da modelli di intelligenza artificiale su lunghi orizzonti temporali, facendo riferimento non solo alle fasi di pianificazione, produzione, approvvigionamento ed installazione dei componenti della Smart City, ma soprattutto alla fase di gestione e manutenzione dei servizi smart, che richiederebbero un uso intensivo di risorse se non venissero monitorati in real time e in ottica predittiva. 

Nello specifico, i nuovi modelli di economia circolare, nella fase di pianificazione, possono anche basarsi su approcci di LCA (Life Cycle Assessment – UNI 14044:2018) per analizzare il contenuto ambientale e gli impatti derivanti da qualsiasi processo della Smart City, contestualizzandolo in diversi scenari (system boundaries), dal più lineare (cradle to crave, cradle to gate, gate to gate), al più circolare (cradle to cradle).

La necessità di creare Smart Cities, non solo ad alto contenuto tecnologico, ma anche rispettose nell’utilizzo delle risorse ambientali è evidenziato dalla New Urban Agenda, documento programmatico delle Nazioni Unite che stabilisce nuovi standard globali per lo sviluppo urbano sostenibile e che segue le direttive del Patto di Amsterdam, per la creazione di una partnership sull’economia circolare per città e regioni.

Questo documento rappresenta un acceleratore per i Sustainable Development Goals (SDG) prodotti dall’Organizzazione delle Nazioni Unite come obiettivi del quadro di riferimento Agenda 2030  – in particolare per l’obiettivo SDG 11 (Make cities inclusive, safe, resilient and sustainable) – fornendo un framework con indicatori per guidare un’urbanizzazione controllata della Smart City in tutto il mondo e che possa adattarsi alla pressione esercitata dai cambiamenti climatici (resilienza agli impatti), contrastare le crescenti disparità sociali (inclusione sociale), e promuovere sviluppo del capitale naturale (sviluppo sostenibile ambientale).

Resilienza agli impatti, inclusione sociale e sviluppo sostenibile ambientale concorrono a definire il concetto di Smart City sostenibile, a cui si va ad aggiungere il contributo di Circular City, concetto proposto nel documento e riferito all’applicazione dei modelli di economia circolare alla dimensione territoriale di vasta scala urbana. 

Ne consegue che una città che sia smart e circular adotti sia processi, approcci e modelli della economia circolare, sia strumenti e tecnologie innovative di controllo e pianificazione predittiva, considerando gli aspetti legati all’inclusività dei cittadini e al loro maggiore accesso ai servizi sostenibili.

Per meglio governare e pianificare gli impatti derivanti dai servizi intelligenti e i relativi costi, la Smart Circular City può applicare i modelli di economia circolare a 5 macro gruppi di sistemi urbani:

  • Ambiente costruito e infrastrutture civili
  • Energia
  • Mobilità
  • Bio-economia
  • Flusso dei materiali (gestione delle acque, gestione dei rifiuti, gestione degli scarti derivanti al cibo, etc.)

L’applicazione delle tecnologie abilitanti – quali IoT e big data, sensori, modelli di machine learning per potenziare le capacità predittive e le decisioni, piattaforme di gestione – a questi sistemi può favorire una transizione verso reali modelli sostenibili delle città, come mostrato in Figura 1.

Figura 1 Possibile composizione di una Smart Circular City tramite l’inclusione di tecnologie abilitanti, modelli e strategie di circular economy e stakeholders sensibili al tema della sostenibilità

A tal proposito, le infrastrutture di comunicazione rappresentano la condizione necessaria per lo scambio di informazioni e dati nelle Smart Circular City. Infatti, le tecnologie abilitanti e le nuove infrastrutture di comunicazione, se dimensionate verso principi di sostenibilità, possono: 

  • esplorare il potenziale economico non sfruttato, minimizzando lo spreco di risorse, individuando cicli non ancora scoperti, definendo infrastrutture mancanti, evidenziando la scarsa penetrazione delle reti elettriche per aumentare la resilienza dei sistemi urbani;
  • analizzare compiutamente i flussi ambientali tramite la produzione di rifiuti, evitando e mitigando l’effetto dell’inquinamento dell’acqua e dell’aria, le emissioni di CO2;
  • favorire approcci di gestione dei servizi che considerino i cittadini al centro di una rete di economia circolare, attraverso il riciclo, il riutilizzo e la manutenzione e la produzione basata su fonti rinnovabili di piccole dimensioni, ribilanciando anche l’attuale struttura del lavoro e considerando l’impatto della transizione verde secondo i principi di uguaglianza sociale.

I big data generati ed elaborati da tecnologie di machine learning possono massimizzare il beneficio non solo delle nuove tecnologie fisiche, ma anche di quelle esistenti, in quanto consentono l’attivazione di nuovi modelli di business. Soluzioni come car sharing, trasformazione dei rifiuti, remanufacturing dei sistemi a fine vita, il pay per use, gli scambi peer-to-peer abilitati dalle tecnologie blockchain sono oggi disponibili per attuare modelli di economia circolare alla Smart City.

La visione circolare della città è fortemente interconnessa con altri gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDG) oltre a SDG 11, prima descritto: 

  • SDG 4 (educazione di qualità): per un cambio culturale attivo dei cittadini alla transizione circolare tramite programmi di educazione ambientale e civica;
  • SDG 8 (lavoro dignitoso e crescita economica): per favorire una transizione collettiva da modelli di economia lineare ad un nuovo modello verso un modello circolare basato sulla manutenzione, Il riutilizzo, la rigenerazione e il riciclo, oltre che su basso costo dei materiali e una forte automazione dei processi;
  • SDG 9 (industria, innovazione e infrastrutture): per l’attivazione di asset intelligenti integrati però con approcci sostenibili sia per industrie specifiche (es. Smart Manufacturing, industria 4.0, bioeconomia, etc.) sia per porzioni di aggregati urbani (es. Smart Building, Smart Grid, etc.).

Considerando tutte le iniziative europee e internazionali e avendo presente gli impatti globali e la limitata disponibilità delle risorse naturali, le Smart Circular Cities rappresentano una concreta possibilità di guidare le città verso un percorso di sviluppo sostenibile, grazie all’inclusione di tecnologie abilitanti, servizi intelligenti e strategie di sostenibilità. 

Ciò che deve essere superato è il modello lineare in cui è irretita la gestione delle infrastrutture esistenti e gli attuali approcci a silos verticali di diversi servizi che non supportano le soluzioni circolari.

La progettazione integrata – intesa come l’insieme delle fasi di pianificazione e programmazione coordinate tra servizi intelligenti supportati da tecnologie abilitanti, cittadini, obiettivi di sostenibilità e modelli di economia circolare – può oggi garantire un’effettiva attuazione di modelli di sviluppo sostenibile nel lungo periodo.

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Batterie al sodio allo stato solido

Batterie al sodio allo stato solido, verso la produzione di massa

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
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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 Na2Sx 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 .

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • fotovoltaico materiale quantistico

Fotovoltaico, ecco il materiale quantistico con un’efficienza del 190%

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

fotovoltaico materiale quantistico
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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“.

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Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.