Il futuro della mobilità sostenibile è già presente

Il direttore di Rinnovabili.it, Mauro Spagnolo, insieme a Paolo Lanzoni di Mercedes Italia e di Fulvio Ferrari di Nissan Italia, fa il punto sull’innovazione tecnologica legata alla mobilità

(Rinnovabili.it) – Sostenibile, intelligente, integrata. Sono questi i pilastri su cui bisogna costruire la mobilità del futuro. Un compito da svolgere interpretando con intelligenza e portando a compimento quelle tendenze che già oggi innervano l’innovazione in questo settore. Queste le parole d’ordine attorno a cui ha ruotato l’incontro sui trasporti di domani organizzato da Rinnovabili.it alla “Maker Faire Rome – The European Edition 4.0”, il più grande evento europeo sull’innovazione. Durante l’evento di sabato 15 ottobre il direttore di Rinnovabili.it Mauro Spagnolo, con la partecipazione di Paolo Lanzoni di Mercedes Italia e di Fulvio Ferrari di Nissan Italia, hanno analizzato il futuro dei trasporti urbani, partendo dalle ultime innovazioni raggiunte per i veicoli, così come per le infrastrutture.

Smartphone su ruote

L’innovazione tecnologica sta già cambiando radicalmente i nostri stili di vita. Uno dei punti fondamentali, il collante di una mobilità 4.0 sostenibile, intelligente e integrata, è la connettività. “Dobbiamo pensare alle auto intelligenti come a smartphone su ruote – afferma Mauro Spagnolo – Nel 2020 ci saranno 80 miliardi di oggetti connessi nel mondo tramite 1200 satelliti: grazie all’Internet delle Cose la mobilità urbana diventerà sempre più un dialogo tra noi e l’ambiente che ci circonda”.

L’intelligenza sarà infatti uno degli elementi trainanti del comparto che è pronto ad evolversi dagli attuali mezzi semi automatici a veri e propri gioielli tecnologici in grado di adattarsi alle esigenze dell’utente, rimanendo costantemente connessi. La tendenza principale sono ovviamente le driverless car, le auto senza pilota già in sperimentazione oggi in Europa e in America. “Secondo il MIT di Boston entreranno in commercio entro 5 anni”, chiosa il direttore di Rinnovabili.it ricordando che molti dei dispositivi dei futuri veicoli senza conducente sono già in commercio (assistenza alla frenata d’emergenza, cambio corsia, parcheggio automatico).

“Così l’auto è davvero integrata con la persona – precisa Paolo Lanzoni di Mercedes Italia, che ipotizza il 2030 come data di messa su strada definitiva delle driverless car – Si tratta di uno strumento per vivere meglio a bordo dell’auto. Un esempio: se non guido posso fare altro, scaricare la posta o organizzare la giornata”. “Abbiamo avviato la sperimentazione delle auto a guida autonoma proprio quest’anno, in Giappone – gli fa eco Fulvio Ferrari di Nissan Italia – Tra 4 anni saranno in grado di effettuare sorpassi e gestire gli incroci”.

La mobilità sostenibile sarà elettrica

Un futuro che è già incredibilmente presente, ma sul quale bisogna continuare a vigilare. Infatti la mobilità 4.0 deve evolversi nel rispetto dell’ambiente, ammonisce Spagnolo tracciando un quadro delle potenzialità delle auto elettriche e dei veicoli a idrogeno. “L’idrogeno è un vettore, uno strumento per gestire in modo intelligente la città – precisa il direttore di Rinnovabili.it – Se proviene da fonti fossili non cambia nulla, si spostano soltanto gli effetti nocivi”. Lo sguardo alla situazione italiana mette in luce le tante ombre, ma anche le potenzialità: “In Italia siamo assolutamente indietro per quanto riguarda il mercato di EV. Ma l’anno scorso il trend è stato del 34%: possiamo dire di essere alla vigilia di uno straordinario boom”.

Una tendenza che diverse analisi a livello mondiale sembrano confermare: con le giuste politiche ed adeguati incentivi da noi potrebbe esserci almeno un milione di mezzi elettrici al 2020. Il sorpasso dell’elettrico sull’endotermico arriverà entro il 2030, ma sarà inizialmente circoscritto alle città densamente popolate e ad alto reddito come Londra e Singapore: in queste aree, gli EV potrebbero diventare il 60% di tutto il parco circolante in appena 15 anni.

In questo ambito le innovazioni sono molte: da Nikola One, l’autoarticolato di Nikola Motor che sfrutta un motore elettrico alimentato da fuel cell all’idrogeno, al record di autonomia stabilito dalla Opel Ampera-e appena presentata al Salone di Parigi (400 km con una sola ricarica), fino al treno a idrogeno testato in Germania e al tir elettrico che viaggia come un tram in Svezia, o ancora alle tecnologie di ricarica a induzione per auto private e per il trasporto pubblico.

Trasformazioni che Mercedes spinge verso l’integrazione fra trasporto privato e pubblico, tenendo al centro modelli di mobilità ormai imprescindibili come il car sharing e il car pooling. “In Germania abbiamo integrato 8 città, in pratica forniamo tutto ciò che riguarda il trasporto – commenta Lanzoni – Serve un nuovo modello di business e diventiamo venditori di mobilità, non di auto”. Per Nissan il futuro è senz’altro elettrico: “L’auto è una batteria su ruote, può diventare un sistema di accumulo collegato alla propria casa – aggiunge Ferrari – Un progetto che stiamo testando a Londra dallo scorso maggio con le prime 100 unità. In Italia invece il quadro normativo non lo consente ancora”.

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“.