Fonti rinnovabili e tecnologie di stoccaggio hanno preso la rincorsa

Capgemini ha pubblicato oggi la 22a edizione del suo studio annuale sui mercati energetici mondiali. Un documento che si dipana tra trend consolidati e la "nuova normalità" indotta dal COVID-19

World Energy Markets Observatory: nuove riduzioni nei costi delle tecnologie dell’accumulo

(Rinnovabili.it) – L’autunno è la stagione dei report energetici. Il momento per fare i conti con i trend che ci portiamo da passato e le previsioni per il futuro. E così dopo il WEO 2020 dell’Agenzia internazionale dell’energia, il NEO di BloombergNEF e le nuove analisi di Rystad Energy, anche Capgemni presenta il suo rapporto annuale.

Il documento, il World Energy Markets Observator, riflette due narrazioni opposte. Quella legata al 2019, dove i trend della transizione energetica si sono consolidati con una crescita delle rinnovabili e delle tecnologie dell’accumulo; e quella attuale strettamente connessa alla pandemia in corso. Per gli analisti di Capgemini, infatti, nel 2020 il forte impatto che il COVID-19 ha avuto settore energetico “è destinato a reimpostare gli standard e a creare una cosiddetta nuova normalità”.

Il rapporto riporta in parte dati già noti, a cominciare dal calo delle emissioni del settore energetico: nel 2019 ha registrato un -0,4% a causa di un mix di fattori, tra cui il passaggio dal carbone al gas, che è diventato un meno 7-8% con l’inizio della crisi sanitaria e delle misure di lockdown 2020. Taglio sensibile ma che ha inciso poco sulla concentrazione di CO2 mondiale e che non durerà a lungo.

Tornando ancora una volta indietro di un anno, il documento spiega come gli investimenti nelle fonti rinnovabili abbiano rappresentato più della metà di quelli globali per la produzione elettrica. Con la crescita del mercato delle green energy e il progresso tecnologico, i costi dell’eolico e del solare hanno registrato una nuova riduzione di oltre il 10% nel 2019, con un calo costante mese dopo mese. Sono diminuiti anche i costi delle tecnologie di accumulo, sia quelle fisse che quelle mobili (veicoli). Le sole batterie a ioni di litio hanno registrato una diminuzione del 19%. E nel contempo sono stati presentati 115 progetti di mega-factory, di cui 88 solo in Cina.

L’incremento delle green energy ha anche posto nuove sfide alla stabilità della rete. Ma come sottolinea  Marco Perovani, di Capgemini Italia, “numerosi strumenti e risorse digitali hanno raggiunto la maturità e sono disponibili per migliorare prevedibilità, affidabilità e stabilità della rete, oltre alla sicurezza dell’approvvigionamento, accelerando la transizione energetica”.

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La stabilità della rete richiede asset per una produzione programmata, capacità di stoccaggio o flessibilità di consumo funzionale. Il WEMO di Capgemini identifica diversi modi per migliorare l’equilibrio della rete laddove questa presenti un’elevata quota di fonti rinnovabili, in particolare attraverso una migliore previsione della produzione di energia, opzioni di stoccaggio a zero emissioni di carbonio e, soprattutto, sviluppo a breve termine di batterie e altre tecnologie a idrogeno. Far leva su digitalizzazione, intelligenza artificiale e automazione per ottenere una maggiore precisione nel prevedere e gestire la domanda, così come implementare la smart grid su scala rappresentano strategie per migliorare la gestione di un mix energetico ben distribuito. L’evoluzione delle normative dovrebbe inoltre introdurre incentivi che stimolino segnali economici positivi e il giusto tipo di investimenti.

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“.