Energia Solare Notturna – Come i Diodi Termoradiativi Potrebbero Presto Eliminare la Necessità di Batterie

Una delle fonti di energia più abbondanti e naturali che abbiamo è l’energia solare. Ogni giorno il sole sorge e ci illumina, offrendoci calore ed elettricità.

Anche le aree isolate, remote e rurali possono sfruttare questa fonte di energia, dato che la maggior parte delle zone del pianeta riceve luce solare in una certa misura. Non è nemmeno necessario utilizzare gran parte di questa fonte inesauribile; meno del 10% dell’energia solare è sufficiente per aiutarci a soddisfare la domanda energetica globale.

Come fonte di energia rinnovabile, non genera emissioni nocive di gas serra ed è ben adatta alla rete elettrica e alle batterie.

L’uso della luce solare non è del tutto nuovo. Gli esseri umani la sfruttavano già nel VII secolo a.C. per accendere fuochi riflettendo i raggi del sole su oggetti lucidi.

Tuttavia, i progressi tecnologici hanno reso la cattura della luce solare per generare elettricità e poi immagazzinarla per un uso futuro altamente efficiente.

Le tecnologie solari catturano le radiazioni elettromagnetiche, cioè la luce emessa dal sole, e la trasformano in forme utili di energia. I due principali tipi di tecnologie solari sono il fotovoltaico (PV), utilizzato nei pannelli solari, e il concentrato solare termico (CSP).

I pannelli solari sono attualmente il mezzo più popolare per produrre elettricità dall’energia solare. I pannelli PV hanno una durata utile di 20-25 anni e richiedono una manutenzione minima una volta installati, a parte una pulizia periodica.

Di solito realizzati con un materiale semiconduttore come il silicio, quando il materiale è esposto ai fotoni della luce solare rilascia elettroni e produce una carica elettrica. Questa carica genera una corrente elettrica, che viene catturata dai pannelli solari e poi un inverter la converte in corrente alternata (AC), utilizzata per alimentare i tuoi dispositivi.

L’effetto fotovoltaico (PV) fu scoperto decenni fa, nel 1839, quando il fisico francese Edmond Becquerel sperimentava una cella composta da elettrodi metallici in una soluzione conduttiva e scoprì che la cella generava più elettricità quando esposta alla luce.

Poi, nel 1954, nacque la tecnologia PV con lo sviluppo della cella PV in silicio, capace di assorbire e convertire l’energia del sole in energia per alimentare gli apparecchi elettrici di tutti i giorni.

Oggi, i sistemi di energia solare sono integrati non solo in case e aziende, ma sono diventati una combinazione importante di fonti di energia rinnovabile per fornire energia.

L’energia solare ha realmente il potenziale di ridurre significativamente l’elettricità, generare energia di riserva abbinandola a sistemi di accumulo, contribuire a una rete elettrica resiliente, operare sia su piccola che su larga scala con efficienza simile, e creare posti di lavoro e stimolare la crescita economica.

Nel frattempo, in termini di costi, oltre ai costi hardware evidenti, ci sono anche costi indiretti come permessi, finanziamenti e installazione del solare, insieme ad altre spese operative di tali aziende, che influenzano il prezzo dell’energia solare.

Sebbene l’energia solare abbia enormi vantaggi, la sfida rimane l’intermittenza. La quantità di luce solare disponibile, dopotutto, varia in base al tempo, alla posizione e alla stagione.

Ad esempio, il fotovoltaico genera energia principalmente a metà giornata, quando il sole è più intenso. Sebbene sistemi di accumulo più efficienti e affidabili ci abbiano permesso di utilizzare questa fonte di energia durante l’intera giornata, anche quando il sole è tramontato o è nuvoloso, i ricercatori stanno cercando alternative migliori.

Nel 2022, ricercatori dell’Università del New South Wales (UNSW) hanno compiuto una grande svolta in questo ambito, che ha permesso loro di produrre elettricità dall’energia solare anche durante la notte. Questa tecnologia è ora stata portata nello spazio.

Energia Solare di Notte

Quindi, due anni fa, a maggio, un team dell’UNSW ha realizzato questa grande svolta nella tecnologia dell’energia rinnovabile producendo elettricità dall’energia solare di notte.

Il team di ricercatori della School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) ha prodotto elettricità dal calore emesso dalla Terra sotto forma di luce infrarossa (IL), proprio come si raffredda di notte irradiando nello spazio.

Per questo, il team ha creato un dispositivo semiconduttore chiamato diodo termoradiativo. Un diodo è un dispositivo semiconduttore che permette al corrente di fluire in una direzione limitandola nell’altra. Converte la corrente alternata (AC) in corrente continua pulsante (DC).

Un diodo termoradiativo (TRD) produce elettricità emettendo IL. Può generare energia da qualsiasi superficie calda e quindi ha la capacità di fornire energia solare di notte. Il diodo termoradiativo del team è stato realizzato con materiali usati nei visori a infrarossi (NV) per generare elettricità dalla luce infrarossa emessa.

Per quanto riguarda la capacità di potenza, era molto piccola, 100.000 volte inferiore a quella fornita da un pannello solare. Nonostante ciò, i ricercatori credevano che il risultato potesse essere migliorato in futuro. Secondo il capo del team, il Professor Associato Ned Ekins-Daukes:

“Abbiamo realizzato una dimostrazione inequivocabile di potenza elettrica da un diodo termoradiativo.”

Ha spiegato come, usando telecamere termiche, possiamo vedere la quantità di radiazione di notte. Tuttavia, ciò avviene solo nell’infrarosso (radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda tra 760 nm e 100.000 nm) e non nella lunghezza d’onda visibile (tra 380 e 780 nanometri). Così, il team ha realizzato un dispositivo “capace di generare energia elettrica dall’emissione di radiazione termica infrarossa”.

In definitiva, il processo sfrutta ancora l’energia solare, ha affermato il Professor Ekins-Daukes. Durante il giorno, la luce solare colpisce il nostro pianeta, riscaldandolo. Questa stessa energia si irradia nuovamente nello spazio esterno, freddo e vasto, di notte sotto forma di luce infrarossa. Il concetto di diodo radiativo sfrutta questo processo, che il team ha dimostrato generare elettricità.

“Ogni volta che c’è un flusso di energia, possiamo convertirlo tra diverse forme.”

– Capo del team Professor Ekins-Daukes

Mentre sviluppavamo il processo artificiale del fotovoltaico per la conversione diretta della luce solare in elettricità, allo stesso modo, con il processo termo-radiativo, l’energia che fluisce nell’infrarosso da una Terra calda è stata deviata verso l’universo freddo.

Inoltre, così come una cella solare può produrre elettricità assorbendo la luce solare, il diodo termoradiativo produce elettricità emettendo luce infrarossa in un ambiente più freddo.

“In entrambi i casi, la differenza di temperatura è ciò che ci permette di generare elettricità.”

– La coautrice del documento, Dott.ssa Phoebe Pearce

Ciò che era precedentemente un processo teorico è stato realizzato praticamente dal team per confermare che in futuro si potranno creare dispositivi specializzati e molto più efficienti per catturare l’energia su scala molto più ampia.

Il Prof. Ekins-Daukes ha paragonato la nuova ricerca a quella degli ingegneri di Bell Labs quando mostrarono la prima cella solare in silicio pratica, che era efficiente solo al 2%. Da allora abbiamo fatto molta strada, riuscendo ora a convertire circa il 23% della luce solare in elettricità.

Secondo il coautore Dott. Michael Nielsen:

“Anche se la commercializzazione di queste tecnologie è ancora lontana, trovarsi all’inizio di un’idea in evoluzione è un luogo così entusiasmante per un ricercatore.”

Questa nuova tecnologia, secondo i ricercatori, potrà trovare molte applicazioni in futuro, incluso alimentare dispositivi bionici come cuori artificiali che attualmente usano batterie da sostituire regolarmente. Pertanto, la loro tecnologia innovativa può potenzialmente eliminare la necessità di batterie in alcuni dispositivi o aiutarne la ricarica.

Finora, però, il diodo radiativo è stato in grado di generare “una potenza relativamente molto bassa”. È stato difficile rilevare la potenza, e resta ancora circa un decennio di ricerca universitaria prima che l’industria lo adotti. Ma in teoria, è possibile che la tecnologia “produca alla fine circa 1/10 della potenza di una cella solare”.

Dopo la “dimostrazione inequivocabile di potenza elettrica”, il team ha iniziato a lavorare con un nuovo materiale più facile da produrre, al fine di scalare.

Contemporaneamente, il team sta lavorando all’applicazione della loro tecnologia a veicoli spaziali come i satelliti. I satelliti alimentati da energia solare non sono una novità, furono effettivamente dimostrati per la prima volta nel 1958.

Alimentati da celle solari, questi veicoli spaziali dipendono dalle batterie durante le condizioni di eclisse. Pertanto, i ricercatori dell’UNSW stanno ora applicando la tecnologia per generare energia per i satelliti mentre orbitano nell’oscurità.

La tecnologia, inizialmente usata nello spazio, è ora stata impiegata per produrre enormi quantità di elettricità dall’energia solare per le nostre case e, in modo simile, il Prof. Ekins-Daukes intende “lanciare il diodo radiativo nello spazio entro i prossimi due anni”.

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Il Passaggio a un’Energia Solare Pulita e Abbondante

Poiché i pannelli solari necessitano della luce solare per generare energia e quindi non possono funzionare di notte, molte ricerche e sviluppi hanno lavorato per trovare soluzioni a questo problema.

Uno dei modi in cui è stato affrontato è lo stoccaggio in batterie, usato per immagazzinare l’energia in eccesso prodotta. Questa energia immagazzinata può poi essere utilizzata quando si vuole, di notte e nei giorni nuvolosi. Soluzioni come Tesla Powerwall o Generac PWRcell offrono un’alternativa. Queste batterie fungono da fonti di elettricità off-grid durante le interruzioni di corrente.

Un altro metodo è il net metering. Qui, avere accesso a un programma di riacquisto solare consente di usare la rete elettrica locale come batteria. Per ottenere crediti sulla bolletta, è necessario inviare l’energia in eccesso prodotta dai pannelli solari durante il giorno alla rete. I crediti guadagnati verranno applicati alla bolletta per coprire il consumo di energia notturna.

I ricercatori hanno persino creato pannelli solari che raccolgono elettricità dal cielo notturno. Per esempio, le celle anti-solari funzionano al contrario dei pannelli solari di giorno. Inoltre, ci sono pannelli alimentati da frizione che convertono il movimento in energia e sfruttano la radiazione da superfici calde.

Recentemente, scienziati della Stanford University hanno progettato un nuovo tipo di pannello solare per produrre elettricità di notte. Per questo, hanno integrato un generatore termoelettrico nelle tradizionali celle solari a energia solare. Non solo può offrire generazione di energia continua, ma migliora anche l’efficienza durante il giorno.

Poi c’è la startup californiana Reflect Orbital, che ha condiviso il suo piano di vendere luce solare di notte. Per realizzarlo, prevede di utilizzare una costellazione di satelliti dotati di specchi in mylar, che orbiteranno a 370 miglia sopra la superficie. Rifletteranno la luce solare sui pannelli solari sulla superficie terrestre.

“Pensiamo che la luce solare sia il nuovo petrolio, e lo spazio sia pronto a supportare l’infrastruttura energetica.”

– Co-fondatore di Reflect Orbital Ben Nowack su X (precedentemente Twitter)

Se osserviamo i numeri, tra le fonti di energia pulita, il solare è sicuramente in testa. Il 2023 è stato in realtà un anno record per questa fonte energetica, poiché il mondo ha installato 447 GW di nuova capacità solare, un impressionante 78% dell’intero nuovo incremento di capacità rinnovabile. Registrando un aumento dell’87% rispetto all’anno precedente, il mercato solare globale ha registrato un tasso di crescita non visto dal 2010.

Gran parte di questa crescita è stata guidata dalla Cina, che è il più grande mercato solare al mondo. Ha aggiunto 253 GW di nuova capacità PV solare, un aumento del 167%, ed è stata responsabile del 57% della capacità installata a livello globale lo scorso anno.

Questo “crescita imprevista” dell’energia solare totale, secondo il Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, è stata dovuta a un crollo dei prezzi di circa il 50% per i moduli. Tale calo è stato causato da un notevole aumento delle capacità di produzione PV globali, che ha portato a sovracapacità.

Oltre agli ordini degli anni precedenti finalmente installati nel 2023, individui, imprese e governi si sono rivolti all’energia solare come soluzione affidabile ed economica ai prezzi elevati dell’energia.

Grazie alla maggiore disponibilità di prodotti, al miglioramento dei costi e ai numerosi vantaggi offerti dalla tecnologia, il rapporto prevede “una crescita sostanziale della domanda di energia solare PV nei prossimi anni.”

Aziende che Avanzano nel Settore dell’Energia Solare

Ora, diamo un’occhiata a qualche nome di spicco che ha intrapreso percorsi alternativi per generare energia.

Clearway Energy (CWEN ) è una di queste aziende che gestisce parchi eolici e impianti solari per fornire energia pulita e rinnovabile, mentre Ormat Technologies (ORA ) si concentra sulla generazione di energia geotermica. Heliogen (HLGN ) è un altro nome in questo settore, e utilizza IA e tecnologia avanzata di specchi per concentrare la luce solare e generare elettricità. Enphase Energy (ENPH ) e Piedmont Lithium (PLL ) guidano nel frattempo il campo dello stoccaggio energetico.

#1. Bloom Energy (BE )

Questa azienda utilizza la tecnologia delle celle a combustibile a ossido solido per generare elettricità affidabile ed efficiente. Utilizzando i loro server energetici per la generazione in loco, Bloom Energy offre un’alternativa più pulita alla generazione di energia tradizionale e riduce la dipendenza dalla rete.

Al momento della stesura, le azioni BE sono quotate a $10,80, in calo del 26,82% dall’inizio dell’anno, con una capitalizzazione di mercato di $2,465 miliardi. Bloom Energy ha un EPS (TTM) di -1,30 e un P/E (TTM) di -8,31. Per il Q2 2024, l’azienda ha riportato $335,8 milioni di fatturato, con un aumento dell’11,5% rispetto all’anno precedente. Il margine lordo del trimestre è stato del 20,4%, mentre la perdita operativa è stata di $23,1 milioni. Bloom Energy ha inoltre emesso obbligazioni verdi convertibili al 3% in quel periodo per rafforzare il proprio bilancio.

Inoltre, l’azienda ha collaborato con il leader dell’IA CoreWeave per alimentare il data center ad alte prestazioni di Chirisa Technology Parks. Le celle a combustibile Bloom alimenteranno anche i data center AWS da 20 MW di Silicon Valley Power. Secondo il CEO di Bloom, KR sridhar:

“Ora è ampiamente compreso che la domanda di elettricità dovrebbe superare di gran lunga l’offerta disponibile attraverso la rete. Questo rappresenta per Bloom una grande opportunità. Stiamo osservando alti livelli di interesse commerciale per i nostri prodotti e soluzioni. Continuiamo a eseguire bene, a far progredire la nostra tecnologia e a espandere il nostro team per la crescita futura.”

#2. NextEra Energy (NEE )

Con un focus su solare, eolico e accumulo di batterie, NextEra è diventata uno dei maggiori produttori di energia rinnovabile. Le azioni della società di energia elettrica e infrastrutture energetiche sono attualmente quotate a $83,85, in rialzo del 38,05% YTD, con una capitalizzazione di mercato di $172,27 miliardi. Il suo EPS (TTM) è 3,67 e il P/E (TTM) è 22,85.

Per il 2Q24, l’azienda ha riportato un reddito netto GAAP di $1,622 miliardi aggiungendo oltre 3.000 MW di nuovi progetti rinnovabili e di stoccaggio al suo backlog. Qualche mese fa, nel frattempo, la sua controllata NextEra Energy Resources, insieme a Entergy, ha annunciato un accordo di sviluppo congiunto per accelerare la creazione di fino a 4,5 GW di nuova generazione solare e progetti di accumulo energetico.

Conclusione

Il sole è una risorsa di energia inesauribile e, combinato con tecnologie efficienti e avanzate, offre un grande potenziale per soddisfare la rapida crescita della domanda energetica globale e affrontare il problema del cambiamento climatico.

Come leader emergente della transizione globale verso l’energia pulita, l’industria solare ha visto molti investimenti, superando tutte le altre tecnologie di generazione messe insieme lo scorso anno e lo sviluppo. Tutto ciò ha portato a numerose innovazioni nella tecnologia solare, come celle solari a tracciamento del sole, celle solari stampabili, finestre fotovoltaiche e, naturalmente, la generazione di energia solare notturna, che può contribuire a spingere l’energia solare verso una soluzione energetica a lungo termine per le generazioni future.

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