Eco-innovazione: la top ten del 2014

Una veloce rassegna delle innovazioni tecnologiche più curiose, e in alcun casi più estreme, che hanno segnato il passo di questo 2014

Come si fa tracciare il percorso dell’evoluzione tecnologica in atto nell’ambito della sostenibilità e della Green economy? Ce lo siamo chiesti in questi ultimi giorni del 2014, guardando il ricco archivio di idee green che il Pianeta ha sfornato quest’anno: soluzioni tecnologiche, in fase di studio e non ancora applicate nei processi produttivi, ma che con molta probabilità detteranno i trend del prossimo anno. E abbiamo stilato per voi una selezione delle dieci migliori eco-innovazioni del 2014.

10. Il ladro di nuvole

L’inventore russo Andrew Kazantsev sta lavorando ormai da tempo su un’originale tecnologia che permetta di sfruttare le nuvole per ottenere energia pulita e acqua potabile. Per riuscire nell’impresa la squadra ha realizzato un piccolo dirigibile – battezzato Air HES – che mixa differenti tecnologie: una tradizionale idroturbina e uno degli ultimi dispositivi realizzati per condensare il vapor acqueo. La resa? Ancora minima ma il progetto ha aperto una nuova strada.

9. Fumare fa bene… solo all’energy storage

Tra i propositi per l’anno nuovo quello di smettere di fumare è da sempre nella top ten degli italiani. Ma se il 2015 non vedrà ridursi la percentuale di fumatori, di certo vedrà invece aumentare le tecnologie per lo smaltimento dei mozziconi. Una di queste è stata messa a punto dall’Università di Seoul che è riuscita attraverso un singolo passaggio a trasformare semplici filtri di sigarette in potenti supercondensatori. I primi test hanno mostrato che il materiale “sigarette derivato” offre una capacità di accumulo energetico addirittura maggiore di quella del carbonio disponibile sul mercato, del grafene e dei nanotubi di carbonio.

8. Imitando Madre Natura

Riuscire a replicare la fotosintesi clorofilliana è uno dei sogni della ricerca energetica. Ci ha provato anche Julian Melchiorri con la sua Silk Leaf Project. Il giovane studente britannico, è riuscito a creare una foglia artificiale in grado, al pari di quelle vere, di produrre ossigeno in presenza di acqua e luce solare. Negli ingredienti della Silk Leaf, il segreto del successo: Melchiorri ha impiegato un mix di seta e cloroplasti, ovvero gli organuli responsabili del processo fotosintetico. Un domani non troppo lontano potrebbe rivelarsi utile nei viaggi spaziali di lunga distanza.

7. Addio acqua, nel futuro si lava con la plastica

Conto alla rovescia per il primo stock su larga scala della washing machine firmata Xerox; la speciale lavatrice affida il suo potere pulente a minuscole micro perle di nylon in grado di separarsi leggermente in presenza di umidità, consentendo alle macchie di essere assorbite e bloccate nel loro nucleo. Il risultato? Si impiega il 72% in meno di acqua rispetto ai dispositivi tradizionali e le sfere possono essere utilizzate fino a 100 volte (o per circa sei mesi), tagliando del 47 per cento i costi dell’energia elettrica.

6. Per ricaricare lo smartphone infilalo in tasca

Prendete uno stilista emergente, aggiungete un celebre produttore di telefonia mobile e le ultime innovazioni in tema di ricarica senza fili. Cosa ne esce fuori? La moda hi-tech di Adrien Sauvage che in collaborazione con la Microsoft Mobile ha presentato qualche giorno fa a Londra i primi pantaloni con la ricarica wireless disegnati appositamente per gli smartphone Lumia della Nokia. Il funzionamento è semplice: se il telefono si sta per scaricare basta infilarlo in tasca dove lo stilista ha integrato una piastra di ricarica a induzione, e il gioco è fatto.

5. Robot solari volanti, l’arma di Big G contro il digital divide

Google è pronto a combattere il digital divide schierando nel cielo una flotta di droni fotovoltaici. Grazie alla tecnologia solare questi robot sono in grado di diffondere frequenze dedicate alle connessioni internet, volando ininterrottamente per ben 5 anni e senza rilasciare alcuna emissione. Si tratta di sistemi capaci di raccogliere informazioni e immagini ad alta risoluzione in tempo reale, raggiungendo una velocità di trasmissione dati di 1 gigabyte al secondo per un raggio di quasi 2mila chilometri.

4. La toilet solare ti aiuta a risparmiare acqua

L’invenzione è stata presentata a marzo di quest’anno da un gruppo di scienziati americani nell’Università di Nuova Dehli: pensata per migliorare l’accesso ai servizi igienico-sanitari, la speciale eco-toilet è in grado di funzionare senza bisogno di acqua, ma affidandosi piuttosto all’energia solare. Grazie al calore del Sole, infatti sterilizza gli escrementi umani trasformandoli in  biochar, un carbone di alta qualità che può essere impiegato come fertilizzante in agricoltura. L’iniziativa è stata finanziata con 770 mila dollari (circa 550 mila euro) dalla Fondazione Bill e Melinda Gates.

3. Dai un morso a quella batteria

In un mondo dove le apparecchiature elettriche ed elettroniche stanno prendendo il sopravvento, è quanto mai necessario trovare una modalità per ridurre il più possibile l’impatto dei RAEE. Uno di questi potrebbe essere realizzare dispositivi biodegradabili come quello progettato dalla Carnegie Mellon University; qui un team di ricercatori ha realizzato una nuova batteria “commestibile” che rimpiazza i tradizionali elettroliti tossici con pigmenti che si trovano nel nero di seppia. Ovviamente il dispositivo non possiede ancora le prestazioni delle batterie agli ioni di litio, ma la ricerca è ancora solo all’inizio.

2. Batterie ricaricabili incluse

Quante volte avete sentito dire che per rivoluzionare fino il fondo il sistema energetico attuale, le energie rinnovabili devono essere integrate con innovativi sistemi di accumulo energetico? Be’ alla Ohio State University hanno voluto osare di più realizzando la prima cella solare al mondo in grado di auto immagazzinare l’energia stessa che produce. Il segreto è nel particolare design a rete e negli elementi che la compongono – titanio, litio e carbonio – che permettono al dispositivo di funzionare sia come cella fotovoltaica, creando elettricità, che come batteria e dunque immagazzinando l’energia creata al suo interno.

1. L’eolico si fa piccolo, piccolissimo, praticamente micro

Il 2014 è stato l’anno della nanotecnologia, soluzioni su scala così ridotta da aver bisogno del microscopio per osservarle. E anche l’eolico non fa eccezione come dimostra la minuscola turbina dell’Università del Texas di soli 1,8 millimetri di diametro; le dimensioni estremamente ridotte permetterebbero di montarne addirittura 10 su un chicco di riso. A cosa serve un aerogeneratore così piccolo? Nel futuro, magari, a realizzare cover per smartphone in grado di accumulare energia dal più semplice dei movimenti o “nano pelli” con cui rivestire la superficie di infrastrutture ed edifici.

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“.