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Elsevier, energia: Italia indietro su idrogeno e batterie verdi

L’analisi Elsevier sullo stato della ricerca accademica in tema rinnovabili: manca una politica comune europea e l'Italia investe ancora poco in ricerca.

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La Cina in prima linea per la ricerca su Idrogeno e Storage, mentre per l’Italia non sono ancora una priorità nazionale. Europa distante da una politica energetica comune. Questo, in sintesi, ciò che emerge dall’analisi di Elsevier, uno dei più importanti editori scientifici del mondo, con più di 3mila riviste accademiche in ogni ambito, che ha analizzato la produzione mondiale della ricerca sul tema negli ultimi 5 anni, dal 2017 al 2021. Tre in particolare gli ambiti presi in considerazione dall’analisi: storage delle energie rinnovabili, ricerca sull’idrogeno e cattura del carbonio“Come vedremo, in Italia la ricerca su questi nuovi ambiti delle energie rinnovabili sconta le problematiche ormai note che connotano in generale la ricerca nel nostro Paese: pochi fondi e limitato pensiero sistemico capace di mettere in connessione ricerca e sviluppo industriale”, commenta Claudio Colaiacomo, Vice President for Academic Relations di Elsevier.

Tre tecnologie per guardare al futuro

Negli ultimi anni, nel campo delle energie rinnovabili si sono fatti grandi passi avanti e, soprattutto rispetto a energia eolica e solare, i costi si sono molto abbassati. Ma prima di arrivare a rimpiazzare completamente o quasi i combustibili fossili, restano diverse sfide da affrontare. La questione dello stoccaggio energetico, dall’efficientamento delle batterie portatili all’integrazione di sistemi di storage nel “grid”. Le fonti di energia alternative, di cui al momento l’idrogeno è l’unico candidato, essendo l’unico combustibile pulito disponibile, con in più il vantaggio di poter funzionare anche come sistema di accumulo di energia. Infine, la cattura e lo stoccaggio di diossido di carbonio, la “Carbon Capture”: è urgente, per evitare il “tipping point” o punto di non ritorno, come strategia di damage non è pensabile eliminare i fossil fuels al 100%. Ecco perché l’offsetting del carbonio è la soluzione ottimale, contrastando il riscaldamento del pianeta e contribuendo allo stesso tempo al raggiungimento di emissioni nette zero a livello globale, prima ancora di ottenere l’indipendenza dalle fonti non rinnovabili. Sono queste le tre tecnologie più rilevanti oggi in campo energetico – dice Colaiacomo – e scegliere di valorizzare una linea di ricerca piuttosto che un’altra ha un impatto importante sul nostro futuro: stoccaggio e idrogeno offrono la speranza di sopperire ai bisogni futuri, insieme a indipendenza energetica e potere. L’offsetting di carbonio risponde all’urgenza di preservare il pianeta per le generazioni future”. Ogni paese, come dimostra la ricerca targata Elsevier, adotta un approccio diverso.

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Storage delle energie rinnovabili

Si prevede che il mercato dell’accumulo di energia attirerà oltre 600 milioni di dollari entro il 2040“Quando avremo il 20% del picco di domanda disponibile in stoccaggio, saremo in grado di gestire un sistema esclusivamente rinnovabile a livello globale”, ricorda Colaiacomo, “ed ecco perché analizzare le politiche e gli incentivi dei diversi governi gioca un ruolo importante in questo senso”.

Quali sono i trend? Analizzando la produzione scientifica degli ultimi 5 anni, vediamo che l’Italia è all’8° posto nel mondo, ma al 3° posto in Europa dopo Regno Unito e Germania. La Francia si trova invece al 13° posto nel mondo e al 5° in Europa, posizionamento che potrebbe essere indicativo di una ricerca sulle rinnovabili indirizzata su altri fronti, come il nucleare.

Colpisce poi il ruolo della Cina: questa, infatti, non solo conduce la classifica, ma con oltre 35mila pubblicazioni scientifiche stacca di gran lunga gli altri Paesi. Gli Stati Uniti, infatti, si aggiudicano il secondo posto con poco più di 11mila pubblicazioni. Ma non è tutto sul “modello cinese”: la Cina infatti è il paese che collabora di meno con gli altri. “Se al forte impulso in termini di ricerca dovesse corrispondere direttamente un’accelerazione della Cina in termini di stoccaggio delle rinnovabili, questo potrebbe avere effetti dal punto di vista geopolitico – spiega Colaiacomo – Non dimentichiamo che la Cina rappresenta per la Russia un mercato alternativo e che se la Cina dovesse davvero emanciparsi dall’import russo questo avrebbe un pesante contraccolpo”.

La Cina è avanti anche in termini di brevetti, con 62mila brevetti contro i 16.700 dell’Europa: la strategia del Paese è evidentemente quella di lavorare a lungo termine implementando nuove tecnologie. E non è casuale che sia l’automotive uno degli ambiti di maggiore attività per i brevetti: considerando che entro il 2050 dovrà essere completato lo switch alle auto elettriche, questa determinazione della Cina, per ora visibile nel campo della ricerca, potrebbe avere effetti importanti sugli equilibri futuri.

Per quanto riguarda l’Italia, invece, a livello di fondi la ricerca sullo stoccaggio si comporta come il settore della ricerca in generale, mostrando la stessa endemica incapacità di attrarre capitali; in questo ambito, Regno Unito, Germania e Francia sono i paesi più virtuosi, mentre l’Italia chiude la classifica. Peggio del nostro Paese, solo Polonia e Irlanda. Interessante prendere in esame gli istituti di ricerca attivi sul tema: in Italia guida il CNR, indizio che suggerisce un certo interesse a livello nazionale.

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Idrogeno

L’idrogeno può essere utilizzato come combustibile al posto di benzina o gas, con la sola emissione di vapore acqueo: una risorsa strategica in ottica di decarbonizzazione. L’idrogeno, inoltre, può anche essere utilizzato per l’accumulo di energia. In questo segmento, la sfida è quella di una produzione efficiente e a basso costo.

Anche qui vediamo vincere la Cina, con un forte distacco sugli altri Paesi in termini di produzione sui 5 anni: quasi 6mila progetti di ricerca contro i 2mila degli Stati Uniti, che seguono al secondo posto. L’Italia è al 12° posto con appena 565 pubblicazioni, mentre in Europa conduce la Germania. Da notare la Russia, che con 600 programmi di ricerca si posiziona al 10° posto e compare nella classifica con 217 brevetti. “La Russia – spiegano da Elsevier – raramente compare in questo genere di classifiche. La sua presenza, quindi, suggerisce un posizionamento del Paese sul tema delle rinnovabili sul lungo periodo, particolarmente interessante in questo momento storico”. E l’Europa? “Le grandi differenze di posizionamento fra i paesi dell’Ue – Germania al 4° posto, Francia al 9°, Italia al 12° e Spagna al 15° – fanno intendere che all’Europa manchi una politica energetica comune”. Sui brevetti, anche in questo segmento, la Cina la fa da padrona, dimostrando un buon coordinamento fra le politiche energetiche e industriali.

Carbon Capture

La ricerca accademica nel segmento della cattura di carbonio mostra un distacco dalla Cina inferiore e attribuibile in primo luogo alla grandezza del Paese. Il RAI (Relative Activity Index o Indice di Attività Relativa)[1] infatti dimostra che la ricerca su Carbon Capture che invece è di “alta priorità” in Europa: viene rilevato un differenziale molto piccolo Cina e paesi europei come Gran Bretagna, Germania o Italia.

Da notare, però, come questo segmento sia legato a doppio filo all’industria, con tassi di collaborazione fra enti di ricerca e industrie più alti rispetto agli altri settori. Una costante che vale anche per l’Italia che, se negli altri due ambiti presi in esame esprime un 6% di partnership, qui tocca il 10%. E questo emerge anche andando a vedere quali sono gli enti che producono più ricerca sul tema: in testa troviamo infatti il Politecnico di Milano, polo legato da sempre alle realtà produttive, che soffia il primato al CNR.

Ricerca scientifica ed equilibri geopolitici

Con RAI (Relative Activity Index) si intende la quota di pubblicazioni su un certo argomento da parte di una data entità rispetto alla quota globale sul tema ed è un ottimo indicatore delle priorità della ricerca di ciascuna organizzazione o paese. Per esempio, la ricerca cinese punta molto su storage e idrogeno, ma rispetto alla cattura del carbonio dimostra un interesse minore di USA e EU. Qual è quindi il quadro tracciato da Elsevier intorno a questi tre cardini? Come interpretare i numeri? “Il RAI ci viene in aiuto – dice Colaiacomo – mostrandoci su quale priorità stia puntando ciascun paese: il volume relativo di Scholarly Output (pubblicazioni scientifiche) permette infatti di comparare i paesi piccoli a quelli più grandi, contestualizzando i dati”. Per quanto riguarda lo stoccaggio energetico, la Cina è il paese leader anche rispetto alla priorità concessa, la più alta di tutti. Per quanto riguarda il segmento idrogeno, invece, troviamo un RAI analogo a quello della Corea del Sud: i due paesi staccano nettamente tutti gli altri. Il Regno Unito condivide invece il podio con la Corea del Sud, pur superandola, quanto a Carbon Capture. Il sequestro di carbonio è in cima alle priorità, oltre che per il Regno Unito, per i paesi europei – quali Germania, Spagna, Italia e Francia –  e per gli Stati Uniti, aree del mondo con una spiccata sensibilità pubblica e istituzionale verso i temi del cambiamento climatico e della crisi energetica. Al contrario, è l’ultima delle priorità per la Russia, la Cina e la Corea del Sud, e la seconda per il Giappone. È evidente come la mappa così tracciata delinei un quadro geopolitico preciso, con interessi diversamente distribuiti. “Ancora una volta la ricerca può essere un importante segnale per leggere le strategie a lungo e medio termine dei Paesi in un determinato ambito – conclude Colaiacomo – Incrociare i dati sulle pubblicazioni scientifiche, sulla capacità di connettere ricerca e industria e su come vengono destinati i fondi, può fornire informazioni importanti per leggere il presente e anticipare il futuro”.

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Rinnovabili • Turbine eoliche ad asse verticale

Turbine eoliche ad asse verticale, efficienza migliorata del 200%

Dall'EPFL svizzero il primo studio che applica un algoritmo di apprendimento automatico alla progettazione della pale delle turbine VAWT

Turbine eoliche ad asse verticale
via depositphotos

Nuovi progressi per le turbine eoliche ad asse verticale

Un aumento dell’efficienza del 200% e una riduzione delle vibrazioni del 70%. Questi due dei grandi risultati raggiunti nel campo delle turbine eoliche ad asse verticale,  presso l’UNFoLD, il laboratorio di diagnostica del flusso instabile della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL). Il merito va a Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners che, in un’anteprima mondiale hanno migliorato questa specifica tecnologia impiegando un algoritmo di apprendimento automatico.

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Turbine eoliche VAWT, vantaggi e svantaggi

Si tratta di un progresso a lungo atteso dal comparto. Le turbine eoliche ad asse verticale o VAWT per usare l’acronimo inglese di “Vertical-axis wind turbines” offrono sulla carta diversi vantaggi rispetto ai classici aerogeneratori ad asse orizzontale. Ruotando attorno ad un asse ortogonale al flusso in entrata, il loro lavoro risulta indipendente dalla direzione del vento, permettendogli di funzionare bene anche nei flussi d’aria urbani. Inoltre offrono un design più compatto e operano a frequenze di rotazione più basse, il che riduce significativamente il rumore e il rischio di collisione con uccelli e altri animali volanti. E ancora: le parti meccaniche della trasmissione possono essere posizionate vicino al suolo, facilitando la manutenzione e riducendo i carichi strutturali.

Perché allora non sono la scelta dominante sul mercato eolico? Come spiega lo stesso Le Fouest, si tratta di un problema ingegneristico: le VAWT funzionano bene solo con un flusso d’aria moderato e continuo. “Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno chiamato stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare“, scrive Celia Luterbacher sul sito dell’EPFL.

Energia eolica e algoritmi genetici

Per aumentare la resistenza, i ricercatori hanno cercato di individuare profili di inclinazione ottimali.  Il lavoro è iniziato montando dei sensori, direttamente su una turbina in scala ridotta, a sua volta accoppiata ad un ottimizzatore funzionante con algoritmi genetici di apprendimento. Di cosa si tratta? Di una particolare tipologia di algoritmi euristici basati sul principio della selezione naturale.

Quindi muovendo la pala avanti e indietro con angoli, velocità e ampiezze diverse, hanno generato una serie di profili di inclinazione. “Come in un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili più efficienti e robusti e ha ricombinato i loro tratti per generare una ‘progenie’ nuova e migliorata”. Questo approccio ha permesso a Le Fouest e Mulleners non solo di identificare due serie di profili di passo che contribuiscono a migliorare significativamente l’efficienza e la robustezza della macchina, ma anche di trasformare la più grande debolezza delle turbine eoliche ad asse verticale in un punto di forza. I risultati sono riportati su un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.

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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.