Smat Cities Challenge: gli innovatori del futuro net zero

Ben 45 progetti selezionati per la finale della Climate Smart Cities Challenge destinata a migliorare la vita nelle città puntando all'obiettivo net zero

Il programma è stato lanciato da Un-Habitat e Viable Cities per accelerare il passaggio alla neutralità climatica net zero

(Rinnovabili.it) – Sono stati annunciati i 45 progetti finalisti della Climate Smart Cities Challenge, la sfida che sfrutta la creatività degli innovatori per traghettare le città verso il raggiungimento degli obiettivi Net zero energy e emission.

Il progetto è stato lanciato da Un-Habitat in collaborazione con la svedese Viable Cities ed ha richiamato oltre 200 proposte.

L’idea è quella di coinvolgere aziende, start-up, pmi ed organizzazioni nel proporre progetti concreti che possano essere applicati nel mondo reale in molteplici settori: come la protezione della biodiversità, la giustizia sociale, la salute, la sicurezza, l’occupazione, le abitazioni efficienti e molto altro ancora.

“Le città e le comunità sono centrali per la realizzazione della transizione climatica, motivo per cui iniziative come la Climate Smart Cities Challenge sono fondamentali per contribuire alla neutralità climatica e ridurre le emissioni di gas serra attraverso soluzioni innovative“, ha affermato Darja Isaksson, direttore generale di Vinnova – Agenzia Svedese per l’innovazione.

Le sfide degli innovatori della Climate Smart Cities Challenge

Il progetto ha permesso di mettere a punto un vero e proprio portafogli di soluzioni innovative che, nelle prossime fasi di sviluppo, creeranno una joint venture tra tutti i vincitori per condividere informazioni, successi e problematiche.

Prima di essere inseriti nella rosa dei finalisti, i partecipanti sono stati valutati secondo tre criteri:

• la possibilità di applicare la soluzione nel mondo reale;
• se sono adatte ad entrare a far parte di un team di ricerca;
• se hanno il potenziale per avere un impatto globale.

Le soluzioni proposte dagli innovatori hanno affrontato specifiche sfide in 4 città: Bogotà, Bristol, Curitiba e Makindye Ssabagabo.

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“È fondamentale ripensare al modo in cui progettiamo, gestiamo e pianifichiamo le nostre città per consentire loro di funzionare in un modo che contribuisca a raggiungere l’obiettivo di un mondo senza emissioni di carbonio”, ha affermato il direttore esecutivo di UN-Habitat, Maimunah Mohd Sharif.

Gli obiettivi dei progetti città per città

BOGOTA’, Colombia

Migliorare la mobilità delle merci e ridurre le emissioni di gas serra e gli inquinanti atmosferici dovuti alla congestione del traffico. Ogni giorno più di 67.000 camion e furgoni intasano il centro città, emettendo fino a 850.000 tonnellate di CO2.

“Siamo molto grati a tutti coloro che hanno partecipato a questa importante sfida per Bogotà. Senza dubbio, le proposte selezionate aiuteranno per ottenere una gestione più intelligente del trasporto merci, per continuare a ridurre l’impatto ambientale della città”. Ha detto Carolina Urrutia Vásquez, Segretario all’Ambiente di Bogotà.

BRISTOL, Regno Unito

Contribuire alla creazione di un nuovo modello per la fornitura di case a prezzi accessibili e zero emissioni di carbonio. L’obiettivo della città è sviluppare 24.000 nuove case a prezzi accessibili e zero emissioni entro il 2050.

CURITIBA, Brasile

Creare nuovi quartieri net zero emissioni per raggiungere l’obiettivo carbon neutral entro il 2050. Molteplici le sfide da affrontare, tra cui l’energia, il trasporto, la gestione dei rifiuti e le case.

MAKINDYE SSABAGABO, Uganda

Proporre soluzioni per sviluppare case a emissioni zero, efficienti dal punto di vista energetico e convenienti. Essendo una delle città in più rapida crescita dell’area di Kampala, la città deve affrontare una grave carenza di alloggi ed un incredibile peso di emissioni dovuto alle abitazioni inadeguate.

Dalla teoria alla pratica

Nei prossimi mesi i finalisti avranno la possibilità di lavorare a stretto contatto con le città interessate, mettendo a punto le strategie migliori al contesto cittadino e per garantire un obiettivo net zero. A giugno 2022, in occasione del World Urban Forum di Katowice, in Polonia, saranno poi annunciati i 4 vincitori della Challenge. Ciascun team avrà diritto ad un premio di 400 mila euro per sviluppare le soluzioni proposte nelle città a partire dal 2023.

L’obiettivo è ovviamente quello di creare un bagaglio di possibilità da estendere a tutte le città a livello globale, aiutandosi a vicenda a raggiungere la neutralità climatica e il net zero energy.

L’elenco dei finalisti è consultabile sul sito di Viable Cities.

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“.