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Zeus: la Zero Emission Ultimate Ship di Fincantieri

La ZEUS (Zero Emission Ultimate Ship) è un'imbarcazione all’avanguardia dotata di un impianto di generazione di potenza che comprende anche le celle a combustibile

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di Laura Luigia Martini e Andrea Donadon

(Rinnovabili.it) – Prosegue l’impegno di Fincantieri nel percorso di transizione verso la decarbonizzazione del settore marittimo. Il Gruppo italiano leader nella navalmeccanica ad alta tecnologia, che oggi vanta una presenza globale, nel corso degli anni ha avviato numerose iniziative finalizzate a contribuire, nel più breve tempo possibile, al processo di decarbonizzazione e alla sostenibilità ambientale.

Le tecnologie green, che a vari stadi di sperimentazione sono in corso di studio presso il Gruppo, riguardano applicazioni a bordo nave come batterie, fuel cell, turbine a gas e motori a combustione interna alimentati sia a gas naturale che ad idrogeno. 

In particolare, le applicazioni in ambito navale rappresentano una sfida ambiziosa per la transizione energetica. La maggior parte delle tecnologie green più evolute deriva da applicazioni terrestri. Il settore navale presenta alcune caratteristiche peculiari che hanno un impatto particolarmente rilevante sull’applicabilità di tali tecnologie. Per questo motivo, le sperimentazioni delle attività cosiddette di “marinizzazione”, ovvero il processo che consiste nell’adattamento dei componenti all’applicazione a bordo nave, devono svilupparsi prima in laboratorio e poi su prototipi in scala reale.

In primo luogo, vi è il tema della sicurezza, che a bordo nave presuppone il rispetto di criteri stringenti dovuti sia agli spazi limitati che all’esigenza di garantire l’operatività della nave in qualunque condizione. Inoltre, gli spazi limitati fanno sì che le tecnologie a disposizione per il settore terrestre debbano essere ulteriormente migliorate per raggiungere densità di potenza idonee alle applicazioni navali.

In secondo luogo, una differenza rilevante riguarda il profilo operativo a cui sono soggetti gli organi di generazione dell’energia a bordo nave. Infatti, diversamente dalle applicazioni terrestri e stazionarie in cui i carichi sono costanti, nel settore navale il profilo operativo risulta maggiormente variabile, poiché variabili sono i requisiti che devono essere soddisfatti.

Le utenze principali da alimentare a bordo nave sono rispettivamente: la propulsione, che consente alla nave di navigare ed è realizzata grazie alla rotazione delle eliche, ed il carico hotel che è costituito da tutti gli utilizzi che permettono una confortevole vita a bordo ed è particolarmente rilevante nel caso di navi da crociera. Mentre la propulsione necessita generalmente di maggiore potenza e può avere un profilo molto variabile nel tempo dovuto, ad esempio, a operazioni di manovra piuttosto che a trasferimenti che possono avvenire a velocità diverse, il carico hotel ha un profilo più costante nel tempo.

Un altro limite è quello relativo al fatto che i componenti di una nave, una volta montati a bordo, sono soggetti ad accelerazioni e vibrazioni e pertanto materiali e dimensionamenti strutturali devono essere opportunamente adeguati.

Leggi anche Il Green Deal Europeo e gli impatti sul settore marittimo

Inoltre, ad oggi, le tecnologie chiave nel processo di decarbonizzazione non sono ancora completamente sviluppate. E’ pertanto auspicabile uno sviluppo indirizzato all’integrazione di tali tecnologie, che concorrono a realizzare i relativi target, nel più breve tempo possibile e a costi sostenibili.

Tra le numerose iniziative intraprese da Fincantieri volte al miglioramento della sostenibilità ambientale, la ZEUS (Zero Emission Ultimate Ship), un’imbarcazione all’avanguardia dotata di un impianto di generazione di potenza che comprende anche le celle a combustibile, rappresenta senza dubbio uno dei progetti pilota di più ampio respiro dal punto di vista tecnologico. Questo progetto beneficia dell’iniziativa “Tecnologie a basso impatto ambientale” (TECBIA) che prevede un co-finanziamento da parte dal Ministero dello Sviluppo Economico che si inserisce all’interno del Programma Operativo Nazionale.

ZEUS rappresenta la prima nave al mondo con le caratteristiche di capostipite per le nuove tecnologie green che il Gruppo Fincantieri punta a sviluppare per poi estenderle ad una gamma di applicazioni come, ad esempio, le navi da crociera, mega-yacht, traghetti e altre navi speciali a servizio di infrastrutture offshore.

La nave ha una lunghezza di 25 metri e sarà dotata di un sistema di generazione di potenza ibrido che prevede una struttura convenzionale, costituita da due diesel generatori e due motori elettrici, che viene affiancata da un modulo di fuel cell e da un sistema di batterie. Le fuel cell hanno una potenza nominale di 130 kW e vengono alimentate da 50 kg di idrogeno stoccato in apposite bombole sotto forma di gas pressurizzato. Questa soluzione si basa sulla tecnologia ad idruri metallici che è già applicata sui sommergibili costruiti da Fincantieri. Le fuel cell e le batterie garantiranno un’autonomia di 8 ore di navigazione con una velocità di 7,5 nodi. In questa condizione di funzionamento la nave non emetterà alcun tipo di emissione inquinante verso l’ambiente esterno.

In particolare, le fuel cell sono dispositivi elettrochimici in grado di generare corrente elettrica sfruttando la reazione che si sviluppa dalla combinazione dell’idrogeno con l’ossigeno e la conseguente formazione di vapore acqueo. Nel caso specifico della nave ZEUS, l’idrogeno puro viene stoccato allo stato gassoso in apposite bombole pressurizzate mentre l’ossigeno necessario al processo viene catturato dall’atmosfera circostante.

Tra le caratteristiche innovative della nave ZEUS, è da segnalare la predisposizione all’alimentazione elettrica da terra (cosiddetto cold ironing) che, oltre a permettere lo spegnimento dei diesel generatori durante l’ormeggio in porto con la conseguente riduzione delle emissioni, rappresenta un’opzione fondamentale per ricaricare le batterie a bordo nave senza produrre emissioni.

La progettazione innovativa del sistema di generazione, che raccoglie l’energia elettrica generata da fuel cell, batterie e motori a combustione interna, renderà possibile la navigazione in diverse modalità operative che comprendono sia soluzioni con azzeramento delle emissioni – quando vengono utilizzate le batterie oppure le fuel cell – sia andature in assenza di emissioni sonore, quando vengono utilizzate esclusivamente le batterie. Oltre a queste configurazioni, sono anche possibili le modalità di navigazione tradizionali in cui i diesel generatori vengono utilizzati per la propulsione e per ricaricare le batterie.

La nave ZEUS, di cui Fincantieri ha celebrato l’impostazione a settembre 2020, verrà costruita presso lo stabilimento di Castellammare di Stabia e completata nel 2021. 

La realizzazione di questo progetto così sfidante è stata resa possibile grazie al coinvolgimento diretto di diverse realtà del Gruppo Fincantieri che, specializzate nelle diverse discipline, hanno contribuito alla progettazione e costruzione di tutti i componenti della nave, dallo scafo ai sistemi elettromeccanici, all’automazione. Il progetto ha inoltre beneficiato dei contributi del panorama tecnologico italiano, quali il CNR, il RINA, l’Ente Nazionale di Ricerca e promozione per la standardizzazione e le Università di Genova, Palermo e Napoli.

ZEUS è dunque una nave molto versatile e complessa che permetterà di fare esperienze reali sull’utilizzo delle fuel cell e dell’idrogeno a bordo, affrontando nel mondo navale tematiche impattanti relative a logistica, ingombri, sicurezza e gestione degli impianti correlati. 

Con questo progetto ambizioso ed estremamente innovativo, Fincantieri conferma la propria leadership anche nel contrasto al cambiamento climatico. La sua Zero Emission Ultimate Ship costituisce infatti un’esperienza fondamentale per la progettazione di navi a zero emissioni.

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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.


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Batterie al sodio allo stato solido, verso la produzione di massa

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
via Depositphotos

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 Na2Sx 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 .

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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.


Rinnovabili • fotovoltaico materiale quantistico

Fotovoltaico, ecco il materiale quantistico con un’efficienza del 190%

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

fotovoltaico materiale quantistico
via Depositphotos

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. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

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“.

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