Dall’energia alla mobilità, ecco il menù per la neutralità climatica delle città

Lo studio 'Verso città carbon neutral. Scenario Verona', messo a punto dalla Fondazione per lo sviluppo sostenibile in collaborazione con il Green city network. "Per la dimensione degli impatti che generano e per i potenziali di miglioramento che consentono il contributo delle città nella mitigazione della crisi climatica è imprescindibile".

di Tommaso Tetro

Le città sono oggi responsabili di oltre il 70% di emissioni di CO2

(Rinnovabili.it) – Efficienza energetica degli edifici, mobilità elettrica e condivisa, elettrificazione dei consumi finali e produzione locale da fonti rinnovabili. Sono questi gli ingredienti per la ricetta dedita alla neutralità climatica delle città, responsabili oggi di oltre il 70% di emissioni di CO2 e sempre di più al centro del problema climatico. Lo mette in evidenza lo studio ‘Verso città carbon neutral. Scenario Verona’, messo a punto dalla Fondazione per lo sviluppo sostenibile in collaborazione con il Green city network, con il sostegno di Volkswagen group Italia e di Agsm Aim e il patrocinio del Comune.

Prendendo la città di Verona come paradigma delle città d’arte italiane, lo studio indaga il potenziale di riduzione degli impatti relativi al muoversi e all’abitare in città. Due aspetti che a Verona riguardano il 70% dei consumi energetici e che più di altri hanno direttamente a che fare con il modo di vivere dei cittadini e le loro abitudini. Nel caso degli spostamenti per esempio lo studio evidenzia come il 90% degli spostamenti dei cittadini avvengano all’interno del contesto urbano, e come tali esigenze di spostamento siano per il 70% soddisfatte mediante auto private, con oltre 200 milioni di litri di carburanti consumati ogni anno. Dall’analisi del settore residenziale, si riscontra che l’85% delle oltre 122mila unità abitative, distribuite in 25mila edifici, risultano energeticamente poco efficienti con consumi energetici che per l’80% hanno a che fare con esigenze di riscaldamento, soddisfatte bruciando 145 milioni di metri cubi di gas metano.

Lo studio analizza il potenziale di riduzione dei consumi e delle emissioni associati a questi due settori mettendo in evidenza come soluzioni organizzative efficaci e tecnologie efficienti consentirebbero di ridurre fino al 76% il fabbisogno di energia finale, determinando una riduzione di oltre l’80% delle emissioni di CO2, che passerebbero dalle attuali 815mila a 150mila tonnellate all’anno, riducendo il fardello associato a ogni abitante da 3,14 a 0,59 tonnellate ogni anno.

Inoltre lo studio evidenzia anche come la riduzione del fabbisogno energetico sia la vera chiave di volta per rendere più agevole il cammino verso la completa decarbonizzazione dei consumi, rendendo possibile coprire il fabbisogno residuo di energia finale mediante produzione da fonti rinnovabili locali. ”Per la dimensione degli impatti che generano e per i potenziali di miglioramento che consentono – afferma Edo Ronchi, presidente della Fondazione per lo sviluppo sostenibile – il contributo delle città nella mitigazione della crisi climatica è imprescindibile. Lo studio mette in evidenza sia il potenziale ancora inespresso di questo contributo, sia le possibili soluzioni da adottare nella transizione verso la neutralità carbonica. La transizione può compiersi dando concretezza progettuale alle politiche promosse dal Green deal europeo e alle risorse stanziate nel Piano nazionale di ripresa e resilienza nel quadro di un modello di economia green e circolare”. L’analisi di scenario proposta dallo studio guarda a un orizzonte futuro senza un obiettivo temporale definito, ma le ipotesi prese in considerazione nel modello di calcolo guardano a soluzioni organizzative e tecnologie assolutamente futuribili. E anzi, molte delle soluzioni prese in considerazione sono già oggi disponibili per avviare la fase di transizione. Per quel che riguarda le esigenze di mobilità dei veronesi, per esempio, lo studio evidenzia come rispetto alla situazione attuale un incremento fino al 50% dell’utilizzo di soluzioni modali condivise e fino al 30% di spostamenti coperti con mezzi alternativi all’auto privata, e in particolare a piedi e in bicicletta, in combinazione con l’elettrificazione della flotta di veicoli circolanti, sia pubblici che privati, consentirebbe di risparmiare oltre 120mila tonnellate equivalenti di petrolio di consumi di energia finale (meno 80% rispetto alla situazione attuale) e di ridurre del 75% delle emissioni attualmente imputabili al consumo di carburanti fossili.

Oltre alla riduzione dei consumi e delle emissioni di gas serra, i vantaggi di una mobilità efficiente, elettrificata nelle sue componenti di consumo e in grado di coprire il proprio fabbisogno energetico da fonti rinnovabili, riguardano anche la qualità della vita, con la riduzione degli inquinanti atmosferici locali e l’abbattimento del rumore da traffico veicolare: tutti elementi che incidono in modo determinante sul benessere di una comunità cittadina. Secondo Massimo Nordio, amministratore delegato di Volkswagen group Italia, “lo studio mette in evidenza e approfondisce alcuni aspetti chiave e offre spunti di riflessione notevoli. Dati alla mano, emergono principalmente due considerazioni: la prima è che l’elettrico è una soluzione concreta, la tecnologia migliore e più efficiente per raggiungere i target climatici globali, e assume un ruolo ancora più rilevante nel contesto urbano. Per questo è fondamentale accelerare la transizione verso la mobilità elettrica, con l’impegno tangibile e coordinato di tutti i player coinvolti: costruttori automobilistici, aziende energetiche e istituzioni”.

“Per quanto ci riguarda, l’obiettivo del nostro Gruppo è la carbon neutrality e per centrarlo stiamo lavorando su tutti gli aspetti necessari, con una visione ampia che mette al centro l’e-mobility ma va molto oltre al prodotto, tenendo conto dell’intero ciclo di vita di un veicolo – osserva Nordio – a seconda considerazione è che lo sharing, rigorosamente a zero emissioni, può essere una risorsa importante per le città. Se pensato in maniera intelligente, può diventare uno strumento privilegiato per la diffusione della mobilità elettrica e contribuire al cambiamento culturale attraverso l’esperienza diretta”.

Per quanto riguarda l’abitare a Verona, a parità di benessere, il risparmio di energia termica associato alla riqualificazione degli edifici insieme all’elettrificazione di tutti i consumi finali domestici -per sfruttare la maggiore efficienza delle tecnologie disponibili (come nel caso delle pompe di calore elettriche per il riscaldamento e raffrescamento) nonché all’installazione di soluzioni domotiche IoT a supporto della programmazione dei consumi da parte degli utenti, consentirebbe di ridurre del 75% dei consumi finali e del 64% le emissioni di CO2 del settore residenziale. Secondo gli scenari analizzati dallo studio, rendere più efficiente e full electric il muoversi e l’abitare a Verona consentirebbe di ridurre fino al 76% l’energia finale consumata per queste attività, che passerebbe dalle attuali 294mila a 70mila tonnellate equivalenti di petrolio.Una situazione che, al netto della quota di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili già installata in città, consentirebbe di soddisfare il fabbisogno residuo moltiplicando per 13 la potenza degli impianti fotovoltaici già attivi sugli edifici nel territorio comunale: una sfida certamente impegnativa ma non impossibile se alla crescita attesa di impianti fotovoltaici privati in ambito residenziale, anche grazie agli strumenti di incentivazione già disponibili, come il superbonus 110%, si accompagnano investimenti inulteriori installazioni da parte dell’amministrazione, per esempio sulle superfici libere degli edifici pubblici o nelle aree industriali dismesse.

La neutralità climatica delle città, che è una delle tessere principali per un approccio ‘green’ alle città, sarà il tema della IV Conferenza nazionale delle green city, organizzata dal Green city network il prossimo 8 luglio; in quell’occasione sarà presentata la ‘Carta delle città verso la neutralità climatica’.

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“.