Soluzioni di Stoccaggio dell’Energia Solare: Efficienza Incrementata di ‘Più di Un Ordine di Grandezza’ nella Scoperta di Conversione

«La capacità mondiale di generare elettricità rinnovabile si sta espandendo più rapidamente che in qualsiasi momento degli ultimi tre decenni», ha dichiarato l’Agenzia Internazionale dell’Energia in un rapporto pubblicato all’inizio di quest’anno.

Questo crescita, secondo l’organizzazione intergovernativa autonoma con sede a Parigi, offre «una reale possibilità di raggiungere» l’obiettivo di triplicare la capacità globale, fissato alla conferenza sul clima COP28, entro la fine di questo decennio.

La capacità rinnovabile è crescita in modo significativo nell’ultimo decennio, con l’energia solare che svolge un ruolo fondamentale in questo. Nel 2023, le fonti rinnovabili hanno prodotto il 30% dell’elettricità mondiale, e il fotovoltaico solare ha rappresentato tre quarti delle nuove aggiunte di capacità rinnovabile a livello globale.

Ciò ha senso, dato che il costo dell’energia solare continua a diminuire, diventando più economico del carbone. Oltre a offrire vantaggi economici come la certezza dei costi nel lungo periodo, l’energia solare aumenta anche la resilienza e riduce le emissioni di carbonio.

Tuttavia, nonostante questi benefici e il fatto che il 50% del consumo finale di energia globale è destinato al riscaldamento, l’uso dell’energia solare rimane ancora basso rispetto alle fonti di energia fossile.

Ciò è dovuto al fatto che l’energia solare ha limitazioni uniche, tra cui la sua indisponibilità durante la notte, mentre il picco di consumo energetico tende a verificarsi la sera. Inoltre, il cambiamento climatico influisce sia sulla domanda sia sull’offerta.

«Dobbiamo riflettere su come il cambiamento climatico influenzerà l’intero sistema energetico perché, sfortunatamente, nessun sistema di generazione elettrica è immune agli impatti del cambiamento climatico.»

– Romany Webb, vice direttrice del Sabin Center for Climate Change Law presso la Columbia Climate School

Per quanto riguarda l’impatto climatico, ondate di calore più frequenti rendono i pannelli solari meno efficienti, mentre l’aumento della domanda di raffreddamento mette sotto pressione la rete e influisce negativamente sul sistema. È stato osservato che gli uragani diminuiscono la generazione fotovoltaica tra il 18% e il 60%, mentre i cicloni tropicali possono ridurre la radiazione solare dell’80%. Eventi meteorologici estremi come i venti possono ulteriormente danneggiare le infrastrutture dell’energia solare.

Tutte queste limitazioni significano che un efficiente stoccaggio dell’energia solare può aprire una moltitudine di possibilità.

Le soluzioni di stoccaggio efficaci consentono di immagazzinare l’energia in eccesso per l’uso nei picchi quando il sole tramonta. In questo modo, i carichi elettrici possono essere bilanciati in base alla domanda e all’offerta, garantendo un flusso energetico costante.

Il stoccaggio dell’energia solare fornisce anche protezione durante eventi dirompenti come gli incendi boschivi, durante i quali la rete energetica diventa vulnerabile a interruzioni.

Quindi, quali sono queste soluzioni di stoccaggio? In generale appartengono a tre categorie principali: batterie, meccaniche e termiche. Tra queste, le batterie, in particolare le batterie agli ioni di litio, sono il metodo più comune ed economico per lo stoccaggio dell’energia solare.

I ricercatori, tuttavia, stanno costantemente sviluppando nuove innovazioni. Un approccio completamente nuovo per raccogliere e immagazzinare l’energia solare in modo più efficiente prevede l’uso di strategie di sensibilizzazione poco esplorate.

Raccolta e Stoccaggio dell’Energia Solare più Efficienti

Per affrontare il problema principale dell’uso limitato dell’energia solare a livello globale — l’intermittenza della sua disponibilità diretta — i ricercatori delle università Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e dell’Università di Siegen hanno sviluppato sistemi molecolari per immagazzinare l’energia solare.

In contrasto con i tradizionali sistemi di stoccaggio termico che conservano l’energia solo per brevi periodi, i sistemi molecolari di stoccaggio dell’energia solare possono immagazzinarla per un periodo prolungato, da diverse settimane a mesi. Ciò avviene perché l’energia solare è immagazzinata sotto forma di legami chimici.

Il funzionamento dei sistemi molecolari di stoccaggio dell’energia solare prevede che molecole specializzate o fotoswitch assorbano prima l’energia solare e poi la rilascino come calore su richiesta.

Anche questo sistema non è privo di sfide. Il problema principale con i fotoswitch eccitanti è il compromesso tra l’assorbimento efficiente della luce solare e la capacità di stoccaggio dell’energia. Ciò limita le prestazioni complessive dei sistemi molecolari di stoccaggio dell’energia solare.

Quindi, il team di ricerca di Mainz e Siegen ha condotto uno studio per superare questo problema utilizzando un nuovo approccio.

La nuova classe di fotoswitch è stata inizialmente introdotta a Siegen, dimostrando un potenziale di stoccaggio energetico incredibile rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

La chimica delle batterie più ampiamente utilizzata, queste batterie includono una o più celle agli ioni di litio oltre a una scheda di circuito. Una cella agli ioni di litio ha elettrodi, un anodo, un catodo, un elettrolita che conduce l’elettricità, collettori di corrente e un separatore. Un fotoswitch, invece, è una molecola che cambia la sua geometria strutturale e le proprietà chimiche quando è esposta a radiazione elettromagnetica.

Il nuovo fotoswitch, pur avendo un potenziale di stoccaggio energetico eccezionale, la sua funzionalità era limitata all’attivazione da luce ultravioletta (UV). La luce UV ha lunghezze d’onda tra 10 e 400 nanometri e costituisce solo una piccola parte dello spettro solare.

Quindi, lo studio più recente ha proposto una tecnica di raccolta della luce indiretta. Questa è simile a come avviene la raccolta della luce nella fotosintesi. Qui viene incorporato un secondo composto, un sensibilizzatore che presenta eccellenti capacità di assorbimento della luce visibile. Secondo il Professor Christoph Kerzig del Dipartimento di Chimica della JGU, che ha guidato lo studio insieme al dottorando Till Zähringer:

«In questo approccio, il sensibilizzatore assorbe la luce e successivamente trasferisce energia al fotoswitch, che non può essere eccitato direttamente in queste condizioni.»

Con questo nuovo approccio, i team di ricerca hanno migliorato l’efficienza del stoccaggio dell’energia solare di più di un ordine di grandezza. Questo importante passo avanti nella conversione energetica apre potenziali applicazioni sia per soluzioni di riscaldamento domestico sia per lo stoccaggio su larga scala.

Il team di ricerca con sede a Mainz ha inoltre condotto approfondite analisi spettroscopiche per esplorare il sistema complesso al fine di comprendere il meccanismo sottostante.

Acquisire una comprensione dettagliata di come il sistema opera aiuterà a «spingere notevolmente il limite della raccolta della luce», ha dichiarato il primo autore Zähringer, aggiungendo che potrebbe anche migliorare l’efficienza di conversione della luce in energia chimica immagazzinata.

In condizioni operative, ogni fotone assorbito è in grado di innescare un processo di formazione di legami chimici. Questo è raramente osservato nelle reazioni fotochimiche a causa di diversi canali di perdita di energia.

I ricercatori hanno con successo convalidato la robustezza della praticità del sistema ciclando più volte tra lo stato di stoccaggio e rilascio dell’energia usando la luce solare, evidenziando il potenziale del sistema per applicazioni reali.

Ultimi Sviluppi nella Raccolta e Stoccaggio dell’Energia Solare

Dato il grande ruolo che il solare svolge nel mix di energia rinnovabile, è diventato un focus crescente tra ricercatori, aziende e iniziative governative, che cercano di approfondire la comprensione di come tutto funzioni e sviluppare soluzioni migliori per raccogliere l’energia e il suo stoccaggio.

Nuove ricerche della NC State University si sono concentrate nel fornire una comprensione più profonda di ciò che avviene nelle celle organiche quando la luce solare si converte in elettricità. Per visualizzare le interfacce dove l’energia luminosa si converte in cariche elettriche, i ricercatori hanno sviluppato un metodo innovativo, la microscopia a sonda di scansione, e lo hanno usato per migliorare l’efficienza delle celle solari.

Costituite da materiali polimerici a base di carbonio, le celle solari organiche hanno il potenziale per essere utilizzate in applicazioni solari flessibili e leggere, nonché in applicazioni per finestre semi o completamente trasparenti, ma non sono efficienti quanto le tecnologie solari a perovskite o silicio nella conversione della luce in elettricità.

Ciò è dovuto al fatto che queste celle sono costituite da una miscela di due materiali; uno di essi raccoglie gli elettroni (donatore) ma deve poi interagire con il secondo per trasferirli (accettore), e le interfacce tra i due sono responsabili di una perdita di tensione, limitando così l’efficienza delle celle solari organiche.

Lo studio più recente ha scoperto che sia il differenziale energetico tra i materiali costituenti donatore e accettore, sia il disordine energetico lungo le interfacce, determinano la perdita di tensione.

Secondo il coautore Aram Amassian, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla NC State University, la selezione di materiali con minimi scostamenti energetici riduce le perdite di tensione. I parametri di solvente e di lavorazione che diminuiscono il disordine interfaciale possono ulteriormente ridurre le perdite di energia.

Un altro recente studio ha affrontato il compito di stimare in modo affidabile la capacità dei sistemi di stoccaggio energetico domestico per avere un’idea della futura diffusione di sistemi fotovoltaici residenziali efficaci.

Per questo, i ricercatori hanno introdotto una tecnica scalabile di stima della capacità, che prevede tre passaggi chiave: determinare quando un sistema di stoccaggio è a piena capacità e quando è vuoto, e calcolare la capacità tra questi due stati.

È stata poi utilizzata per misurare 21 sistemi basati su batterie agli ioni di litio in famiglie private in Germania per otto anni. L’analisi ha rivelato che, in media, i sistemi hanno perso il 2-3% della loro capacità annualmente.

È notevole che il metodo possa essere utilizzato da produttori e aziende di energia solare per stimare la capacità dei loro sistemi di stoccaggio energetico. Inoltre, i ricercatori hanno pubblicato un ampio set di dati, che comprende 14 miliardi di punti dati provenienti da oltre 100 anni, che può essere usato per condurre studi aggiuntivi o addestrare modelli computazionali.

All’inizio di quest’anno, a giugno, i ricercatori hanno anche sviluppato un innovativo sistema di raccolta della luce che può «assorbire una grande quantità di energia luminosa in uno strato relativamente sottile», molto simile ai sistemi naturali di raccolta della luce.

Avendo una struttura a bande simile a quella dei semiconduttori inorganici, può assorbire la luce pancromatica su tutto lo spettro visibile, mentre l’uso di alti coefficienti di assorbimento di coloranti organici gli consente di assorbire molta energia.

Il sistema dispone di quattro diversi coloranti merocianina che sono piegati e impilati strettamente insieme, consentendo un trasporto di energia ultra-rapido ed efficiente al suo interno. È stato scoperto che il sistema è in grado di convertire il 38% dell’energia della luce irradiata energia.

Per un efficiente stoccaggio dell’energia solare e la riduzione delle perdite di conversione, ricercatori di tutto il mondo si sono riuniti all’inizio di quest’anno per studiare le dinamiche della trasformazione foto- ed elettrochimica al fine di progettare una molecola più adatta alle funzioni desiderate.

I ricercatori stanno esaminando il norbornadiene per questo scopo, che è un isomero di idrocarburo con due anelli molecolari e, quando esposto alla luce UV, si converte in un quadriciclano più altamente tensionato.

Considerando che la densità di energia pura del sistema norbornadiene-quadriciclano è comparabile a quella di una batteria agli ioni di litio, se la sua conversione inversa può essere controllata in modo affidabile, ciò può consentire un modulo solare efficiente anche adatto per immagazzinare elettricità.

Concentrarsi su molecole di idrocarburi offre un metodo economico che non richiede metalli rari e può essere facilmente riciclato o smaltito. Tutti questi recenti sviluppi nel settore testimoniano l’attenzione crescente sull’aumento dell’adozione dell’energia solare a livello globale.

Le Aziende Pronte a Beneficiare del Progresso

Ora, esamineremo due dei nomi più importanti che possono beneficiare o offrire un tale sistema molecolare di stoccaggio dell’energia solare. Questi due nomi sono NextEra Energy, Inc. (NEE ) e Enphase Energy, Inc. (ENPH ), entrambi aziende con sede negli Stati Uniti e attivamente coinvolte nell’energia rinnovabile.

1. NextEra Energy (NEE )

Conosciuta per i suoi investimenti in tecnologie di energia rinnovabile, NextEra Energy può beneficiare di tale tecnologia in termini di efficienza di stoccaggio.

Con una capitalizzazione di mercato di 161 miliardi di dollari, le azioni di NextEra attualmente scambiano a 78,37 $, in rialzo di oltre il 29% quest’anno. L’azienda ha un EPS (TTM) di 3,37 e un P/E (TTM) di 23,24, mentre paga un rendimento da dividendo del 2,63%.

L’azienda di infrastrutture energetiche ha recentemente riportato i risultati finanziari per il 3Q24, rivelando che il suo reddito netto è salito a 1,85 miliardi di dollari, rispetto a 1,29 miliardi nel Q3 del 2023. L’utile per azione rettificato è aumentato del 10% su base annua. Questi risultati, secondo il suo CEO John Ketchum, mostrano una «continua solida performance finanziaria e operativa».

Nel frattempo, la Florida Power & Light Company (FPL), di proprietà di NextEra Energy, ha registrato un reddito netto di 1,29 miliardi di dollari, mentre le sue spese in conto capitale sono state di 2 miliardi, e il capitale regolamentare impiegato è aumentato del 9,5% su base annua. Parlando dei clienti della Florida colpiti dagli uragani Helene e Milton, Ketchum ha osservato che gli «investimenti di FPL in rafforzamento e tecnologia smart-grid hanno evitato centinaia di migliaia di interruzioni».

Ora, NextEra Energy Resources, per il secondo trimestre consecutivo, ha aggiunto circa 3 gigawatt di nuovi progetti di energie rinnovabili e stoccaggio al suo backlog. Ha inoltre annunciato accordi con due clienti Fortune 50 per lo sviluppo di progetti di rinnovabili e stoccaggio, per un totale di 10,5 gigawatt entro il 2030.

«La continua forte performance dei nostri business e la nostra scala, esperienza e tecnologia ci permetteranno di capitalizzare sull’opportunità che l’aumento della domanda di energia sta portando al nostro settore.»

– Ketchum, CEO di NextEra Energy

La scorsa settimana, la principale azienda di energia pulita ha stipulato un accordo per vendere unità azionarie per un valore di 1,5 miliardi di dollari a importanti istituzioni finanziarie, tra cui Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan e Mizuho. I fondi saranno utilizzati per investimenti in progetti energetici e di potenza legati all’IA e per rimborsare le obbligazioni di commercial paper in sospeso.

Con la frenesia dell’IA che porta a una crescente domanda di energia da parte dei data center IA e l’azienda che si concentra sull’espansione del suo business di energia rinnovabile, NextEra Energy sta anche conducendo studi e avendo discussioni con i regolatori federali riguardo al riavvio della centrale nucleare Duane Arnold in Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Specializzata in inverter solari e stoccaggio, Enphase Energy potrebbe anche espandersi includendo lo stoccaggio molecolare innovativo se commercialmente fattibile, per migliorare la resilienza e l’efficienza energetica per i suoi consumatori.

Con una capitalizzazione di mercato di 11,8 miliardi di dollari, le azioni di Enphase attualmente scambiano a 87,46 $, in calo del 33,87% quest’anno. L’azienda ha un EPS (TTM) di 0,44 e un P/E (TTM) di 198,82. Per il Q3 2024, la società globale di tecnologia energetica ha riportato un fatturato di 380,9 milioni di dollari e un margine lordo non GAAP del 48,1%. Durante questo periodo, Enphase ha spedito più di 1,73 milioni di microinverter e 172,9 MWh di batterie.

Il principale fornitore mondiale di sistemi solari e batterie basati su microinverter ha chiuso il trimestre con 161,6 milioni di dollari di flusso di cassa libero, mentre liquidità, equivalenti di liquidità e titoli negoziabili ammontavano a 1,77 miliardi di dollari.

Durante questo periodo, Enphase ha lanciato un software basato sull’IA per ottimizzare l’uso dell’energia integrando la previsione solare e di consumo con le tariffe elettriche, al fine di aiutare i consumatori a massimizzare i risparmi.

In ottobre, l’azienda ha iniziato a spedire i microinverter IQ8™ per supportare pannelli solari più recenti e ad alta potenza in alcuni paesi, ha ampliato il supporto ai programmi di servizi di rete (o centrali elettriche virtuali) in alcuni stati USA, e ha lanciato i microinverter IQ8X con la più lunga garanzia residenziale standard di 25 anni in Australia.

Nei due mesi precedenti, ha lanciato il suo sistema Enphase Energy più potente fino ad oggi, ha annunciato una soluzione per espandere i sistemi solari legacy di net energy metering (NEM) in California senza penalità, ha lanciato connettori NACS per i caricabatterie IQ EV, e ha spedito i microinverter IQ8 per supportare moduli solari più recenti e ad alta potenza in alcuni paesi europei. Ha inoltre introdotto IQ Energy Management per abilitare il supporto a tariffe elettriche dinamiche e l’integrazione di caricabatterie EV di terze parti e pompe di calore nei Paesi Bassi.

L’azienda si sta ora preparando al lancio del caricatore EV IQ® di seconda generazione, della batteria IQ a 3 fasi con backup, e del kit solare per balcone IQ® per il mercato europeo, mentre il suo sistema energetico di quarta generazione, con IQ® Meter Collar, batteria IQ da 10 kWh e combiner IQ® migliorato, debutterà negli Stati Uniti all’inizio del prossimo anno.

Nel complesso, le vendite di Enphase in Europa sono diminuite del 15% rispetto al Q2 a causa di «ulteriore indebolimento della domanda europea», mentre il ritorno dell’inventario a livelli normali ha spinto le entrate statunitensi a crescere del 43% su base sequenziale.

Conclusione

Nel contesto della spinta globale verso le energie rinnovabili, l’energia solare è emersa come un attore di rilievo nell’offrire una soluzione pulita e abbondante. Tuttavia, la sua adozione a livello mondiale è influenzata da costi, soluzioni più efficienti e mancanza di infrastrutture, tra gli altri fattori.

I recenti progressi, che vanno dallo stoccaggio solare molecolare alle innovazioni delle celle solari organiche, offrono un grande potenziale per rendere l’energia solare più efficiente, aiutare a soddisfare la domanda globale di energia, anche in condizioni avverse, e aprire la strada a un futuro sostenibile.

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