La ricerca di energia sostenibile porta a scoperte non convenzionali

Il consumo globale di energia sta aumentando a un ritmo accelerato. Nel 2023, questa crescita è stata del 2,2%, rispetto a una media annua dell’1,5% tra il 2010 e il 2019.

Questo tasso più rapido di consumo energetico è principalmente guidato dalla Cina, che, con +6,6%, è stata il doppio della sua media 2010-2019. Altri contributori includono India, Iran, Brasile, gli Emirati Arabi Uniti, Algeria, Vietnam e Indonesia. Al contrario, il consumo energetico è diminuito in Giappone, Corea del Sud, Sudafrica e nell’UE ed è rimasto stabile negli Stati Uniti.

Nel complesso, il consumo globale di energia è aumentato di circa un terzo dal 2000. Attualmente stimato a 580 milioni di terajoule, questo consumo energetico globale annuale è ulteriormente previsto di raggiungere i 740 milioni di terajoule entro il 2040.

Tuttavia, la parte più preoccupante è che la stragrande maggioranza di questa energia—83%—proviene da combustibili fossili, con il petrolio come principale fonte energetica, seguito da carbone e gas naturale, che emettono enormi quantità di CO₂ nell’atmosfera.

Ciò richiede una necessità urgente di innovare nell’energia verde. Sebbene si preveda che le energie rinnovabili cresceranno, questo aumento è di appena il 4 per cento, portandole al 6% dell’uso energetico primario globale.

Quindi, in questo contesto di necessità globale di trasformare il sistema energetico, l’energia solare è emersa come un potenziale punto di svolta. Ciò è dovuto al fatto che l’energia generata dal sole ha il potenziale di alimentare l’intero mondo e oltre.

La Terra ha bisogno solo di un paio d’ore di energia solare per fornire a tutto il pianeta l’energia necessaria per un intero anno.

È anche la fonte di energia rinnovabile più pulita e più abbondante disponibile. Inoltre, porta il vantaggio di decarbonizzare, ridurre i costi energetici, avere un impatto ambientale molto più basso e offrire maggiore accesso e sicurezza energetica.

Naturalmente, ci sono diverse sfide associate alla cattura dell’energia solare; altrimenti la utilizzeremmo già ampiamente. Oltre alla sfida primaria dell’intermittenza solare, poiché il sole non brilla tutto il giorno, vi sono ulteriori sfide legate alla posizione, alle soluzioni di stoccaggio e alla tecnologia necessaria per sfruttare questa energia.

Quando si tratta di sfruttare l’energia solare, esistono diversi modi per catturare la radiazione solare e convertirla in energia. 

Un metodo è utilizzare l’energia solare attiva, che prevede l’uso di dispositivi elettrici o meccanici per convertire attivamente l’energia solare in un’altra forma di energia. Ciò viene realizzato tramite fotovoltaico (PV) o energia solare concentrata (CSP).

Nel PV, la luce solare viene convertita in elettricità usando materiali semiconduttori che mostrano l’effetto fotovoltaico. La tecnologia PV è più comunemente conosciuta come pannelli solari, che sono un insieme di celle solari, ciascuna contenente un semiconduttore che crea una corrente elettrica assorbendo la luce solare.

Nel CSP, lenti e specchi concentrano la luce solare da un’ampia area in una zona molto più piccola per generare elettricità. I forni solari, che includono diversi tipi, tra cui torri solari e trincee paraboliche, sono un esempio di energia solare concentrata.

Un altro metodo è utilizzare l’energia solare passiva, che non impiega dispositivi esterni ma sfrutta il clima locale. Ad esempio, progettare un edificio per ottenere quantità desiderabili di luce solare e costruire edifici con isolamento termico sono esempi di questo metodo. Altri esempi includono tetti freschi e tetti verdi.

Tuttavia, questa non è la fine delle tecniche per utilizzare l’energia solare. Data la sua enorme potenzialità, i ricercatori stanno costantemente esplorando modi nuovi per catturare l’energia solare e convertirla in energia utile, oltre a renderla più conveniente ed efficiente affinché possa essere realmente impiegata nella vita quotidiana. 

Generating Solar Electricity From Phones & Cars  

Ricercatori dell’Università di Oxford hanno recentemente realizzato uno sviluppo interessante nel campo della tecnologia solare. Con questa tecnologia, l’elettricità solare può essere generata dalle superfici di auto e telefoni cellulari.

Fonte: Oxford University

Sì, hai capito bene: invece di installare lunghi filamenti di pannelli solari a base di silicio, è possibile generare quantità crescenti di elettricità solare semplicemente attraverso oggetti di uso quotidiano.

Questa innovazione è resa possibile da un nuovo materiale generatore di energia rivestito sulle superfici di questi oggetti. Il materiale assorbente di luce è sottile e flessibile abbastanza da poter essere applicato praticamente su qualsiasi superficie. Questo approccio rivoluzionario prevede lo stacking di diversi strati assorbenti di luce in una singola cella solare. 

Per questo, scienziati del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford hanno ideato una tecnica che ha permesso loro di sfruttare una gamma più ampia dello spettro luminoso, generando più potenza dalla stessa quantità di luce solare.

Il materiale, perovskite a film sottile, è stato anche certificato indipendentemente dall’Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata (AIST) del Giappone, dimostrando un’efficienza energetica superiore al 27%. Questi numeri corrispondono alle prestazioni dei fotovoltaici al silicio, che sono materiali tradizionali a singolo strato per la generazione di energia.

Secondo i ricercatori, dopo soli cinque anni di esperimenti usando l’approccio a multi‑giunzione o stacking, hanno aumentato l’efficienza di conversione energetica di circa il 21%. Ciò significa che da un’efficienza iniziale di circa il 6%, ora possono convertire oltre il 22% dell’energia della luce solare.

Con il materiale già vicino ai limiti di ciò che i fotovoltaici a singolo strato di oggi possono realizzare, il dott. Shuaifeng Hu, Postdoc Fellow a Oxford, ha dichiarato:

“(La loro tecnica) potrebbe consentire ai dispositivi fotovoltaici di raggiungere efficienze molto più elevate, superando il 45% (in futuro).”

Oltre all’efficienza energetica, la versatilità del materiale è un altro fattore cruciale. Il materiale è ultra‑sottile, appena oltre un micron (0,001 mm) di spessore, il che lo rende quasi 150 volte più sottile di un wafer di silicio. I wafer di silicio generalmente hanno uno spessore compreso tra 0,5 mm e 400 micron (0,4 mm), mentre la gamma di 2 e 25 micron è usata per scopi scientifici specifici.

Questa sottigliezza del nuovo materiale significa che può essere applicato non solo a oggetti comuni e edifici, ma praticamente a quasi qualsiasi superficie, a differenza dei fotovoltaici esistenti.

Avendo i nuovi materiali usati per il rivestimento, il dott. Junke Wang ha osservato che:

“(Loro) hanno dimostrato che possiamo replicare e superare il silicio mentre otteniamo anche flessibilità. Questo è importante perché promette più energia solare senza la necessità di così tanti pannelli a base di silicio o di fattorie solari appositamente costruite.”

Questo nuovo approccio si prevede renda il solare la forma più sostenibile di energia rinnovabile e riduca ulteriormente i costi, che negli ultimi 14 anni sono già diminuiti fino al 90%.

Secondo il World Economic Forum, nel 2010 il costo medio globale per generare un megawattora di elettricità da fotovoltaico solare era di 378 $, senza sussidi, scendendo a soli 68 $ nel 2019. L’energia solare è ora più economica del carbone e del nucleare e quasi altrettanto efficiente economicamente del vento onshore. Mentre il costo dell’energia eolica è anch’esso diminuito in questo periodo, quello del nucleare e del carbone è aumentato o ha registrato solo un lieve calo.

Ora, innovazioni come la perovskite a film sottile promettono ulteriori risparmi riducendo la necessità di pannelli al silicio e di fattorie solari dedicate.

Secondo i ricercatori, questa ultima innovazione può diventare una propria industria per produrre materiali e generare energia solare in modo economico e sostenibile utilizzando oggetti esistenti. 

‘Artificial Leaf’ per produrre carburante pulito

Gli scienziati non solo stanno rendendo possibile generare elettricità solare a basso costo con oggetti di uso quotidiano, ma stanno anche riscrivendo la fotosintesi e, di conseguenza, rivoluzionando il modo in cui produciamo carburanti puliti.

Nel 2019, ricercatori dell’Università di Cambridge hanno stabilito un nuovo benchmark quando hanno realizzato una foglia artificiale che produce syngas semplicemente usando luce solare, anidride carbonica e acqua. 

Fonte: Cambridge University

Il syngas è un gas prodotto da combustibili fossili, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, usato per creare plastica, prodotti farmaceutici, carburanti e fertilizzanti. Poiché siamo abituati a produrre prodotti che consumiamo ogni giorno, è fondamentale trovare modi per “produzione sostenibile”.

Ecco la foglia artificiale, un dispositivo a impatto zero di carbonio alimentato dalla luce solare che non rilascia CO₂ nell’atmosfera. Inoltre, nonostante funzioni con la luce solare, la foglia artificiale opera efficacemente anche in giornate nuvolose.

Ispirandosi alla fotosintesi, processo naturale con cui le piante usano l’energia luminosa del sole per trasformare anidride carbonica e acqua in cibo, i ricercatori hanno combinato due assorbitori di luce sulla foglia artificiale con un catalizzatore di cobalto. Quando immerso in acqua, uno degli assorbitori produce ossigeno con l’aiuto del catalizzatore, mentre l’altro esegue la reazione chimica, riducendo acqua e CO₂ in idrogeno e monossido di carbonio, che formano il syngas.

Poiché gli assorbitori di luce funzionano anche con livelli di luce bassi, questa tecnologia può essere usata tutto il giorno e ovunque nel mondo.

Mentre altri dispositivi a foglia artificiale sono stati sviluppati, i ricercatori di Cambridge hanno osservato che essi producono solo idrogeno, a differenza del loro dispositivo, che può produrre syngas grazie alla combinazione di materiali e catalizzatori utilizzati.

Il materiale usato per il catalizzatore molecolare era cobalto, più economico, abbondante e più efficace nella produzione di monossido di carbonio rispetto ad altri catalizzatori come platino o argento.

Nel frattempo, i loro assorbitori di luce sono stati realizzati con perovskite anziché con silicio o materiali sensibilizzati a colorante. Gli assorbitori di luce perovskite hanno fornito un’alta fotovoltaggio e corrente elettrica per alimentare la reazione chimica, che riduce CO₂ a CO.

Il passo successivo al syngas è sviluppare un carburante liquido sostenibile come sostituto della benzina. Invece di produrre syngas e poi convertirlo in carburante liquido, lo studio mira a produrre il carburante liquido direttamente da anidride carbonica e acqua.

Con l’elettricità in grado di soddisfare solo una frazione della domanda energetica globale totale, il petrolio sintetico può rappresentare uno sviluppo vitale, ha affermato il co‑autore senior Professor Erwin Reisner del Dipartimento di Chimica di Cambridge, sottolineando la “grande domanda di carburanti liquidi per alimentare trasporti pesanti, spedizioni e aviazione in modo sostenibile”.

Negli ultimi anni, Reisner ha collaborato con il suo gruppo per sviluppare una nuova foglia artificiale capace di produrre immediatamente etanolo e propanolo puliti senza prima generare syngas. Questo è stato realizzato sviluppando un catalizzatore a base di rame e palladio.

Il primo autore del documento, il dott. Motiar Rahaman, ha dichiarato:

“(Essere in grado di) produrre un carburante liquido pratico usando solo la potenza del Sole” (rappresenta) un avanzamento entusiasmante che apre nuove strade nel nostro lavoro.”

Per ora, il dispositivo è solo una prova di concetto. I ricercatori stanno lavorando per ottimizzare le foglie per assorbire meglio la luce solare, perfezionare il catalizzatore per convertire più luce solare in carburante e, infine, rendere il dispositivo scalabile per produrre grandi volumi di carburante.

Il professor Reisner è stato infatti premiato con una Cattedra della Royal Academy of Engineering in Tecnologie Emergenti all’inizio di quest’anno. Il premio di 2,5 milioni di sterline consentirà al suo team di facilitare la transizione dal laboratorio al mercato delle tecnologie chimiche solari.

Mentre il team di Reisner lavora per rendere il prodotto scalabile, Yimin Wu, professore di ingegneria all’Università di Waterloo, ha pubblicato un altro studio nello stesso periodo della ricerca sul syngas. Questo studio ha anche creato una “foglia artificiale” che converteva economicamente CO₂ nocivo in un combustibile alternativo utile.

Ancora una volta, ispirandosi al processo di fotosintesi, la foglia artificiale ha prodotto metanolo e ossigeno, a differenza della foglia naturale, che produce glucosio e ossigeno. 

L’ingrediente chiave era l’ossido di rame, una polvere rossa ottimizzata, che è stata progettata per avere particelle con otto lati. È il risultato dell’aggiunta di acetato di rame, glucosio, sodio dodecil e idrossido di sodio a una soluzione d’acqua riscaldata a una temperatura specifica. 

Quando mescolato con acqua ed esposto a CO₂, ha agito da innesco per un’altra reazione chimica, producendo ossigeno e convertendo CO₂ in metanolo. È stato usato un simulatore solare per irradiare luce bianca. Man mano che la soluzione si riscaldava, la reazione raccoglieva metanolo, che evaporava.

Quantum Dots per creare finestre solari a doppio vetro

Un altro sviluppo in questo campo è stato i quantum dot, piccole particelle semiconduttrici nella gamma di 2‑10 nanometri. La loro piccola dimensione conferisce proprietà elettroniche e ottiche uniche, rendendoli versatili.

Nella ricerca presso il Los Alamos National Laboratory, i quantum dot sono stati incorporati nel vetro delle finestre per generare elettricità. Questi “quantum dot “designer” assorbono la luce solare e la convertono in energia senza alterare la trasparenza delle finestre. 

Questa innovazione consente essenzialmente a interi edifici di diventare generatori di energia solare senza la necessità di pannelli solari tradizionali, costosi e ingombranti.

Fonte: Los Alamos National Laboratory

Secondo il ricercatore capo Victor Klimov, le finestre a doppio vetro basate su quantum dot offrono un approccio innovativo per ridurre i costi grazie alle elevate prestazioni che possono essere raggiunte con questi “materiali a basso costo, processabili in soluzione”.

Questo nuovo metodo non sostituisce la tecnologia PV attuale. I collettori di luce solare efficaci vengono semplicemente aggiunti ai pannelli solari esistenti. Possono anche essere integrati come finestre semi‑trasparenti nell’architettura di un edificio.

Mentre i pannelli fotovoltaici attuali raggiungono un’efficienza di circa il 25%, i quantum dot offrono il potenziale di superare questo utilizzando la moltiplicazione dei portatori.

Un tipico pannello solare fotovoltaico assorbe un fotone di luce e rilascia un elettrone, che diventa energia. Tuttavia, attraverso la moltiplicazione dei portatori e l’incorporazione di ioni di manganese magnetico, i pannelli solari basati su quantum dot producono più di due elettroni per ogni fotone assorbito.

Tuttavia, al cuore di questo avanzamento tecnico c’è il “splitting dello spettro solare”,“ che separa l’elaborazione dei fotoni solari ad alta e bassa energia. 

Questo è stato realizzato incorporando ioni di manganese nei quantum dot per fungere da impurità altamente emissive. Quando i quantum dot assorbono luce, le impurità si attivano, facendo sì che gli ioni di manganese emettano luce a energie inferiori all’inizio dell’assorbimento dei quantum dot. 

Ora, per trasformare una finestra in un collettore solare tandem luminescente, i ricercatori depositano uno strato di quantum dot drogati con manganese altamente emissivo sulla superficie del vetro anteriore. Nel frattempo, uno strato di quantum dot con seleniuro di rame e indio è stato depositato sulla superficie del vetro posteriore. 

In questo modo, lo strato anteriore assorbe le parti visibili blu e ultraviolette dello spettro solare mentre lo strato inferiore cattura il resto. Una volta assorbiti, i quantum dot riemettono fotoni a lunghezza d’onda più lunga. La luce riemessa viene guidata tramite riflessione interna totale verso i bordi del vetro della finestra, dove le celle solari integrate raccolgono la luce e la convertono in elettricità.

Inoltre, il team di Klimov sta anche esplorando come i quantum dot possano essere usati per produrre ammoniaca, che rappresenta oltre il 2% dell’uso energetico globale. In questa specifica applicazione, stanno usando quantum dot e luce solare per generare “elettroni liberi“ invece della luce tramite fotoemissione. 

Ora, diamo un’occhiata a due grandi aziende nel settore dell’energia solare.

#1. NextEra Energy

Conosciuta ampiamente come leader nel settore delle energie rinnovabili, NextEra Energy (NEE ) ha registrato un reddito netto di 552 milioni di dollari e un reddito rettificato di 865 milioni di dollari nel Q2 2024.

Hanno aggiunto 3 GW alla loro capacità di energia rinnovabile, inclusi importanti sviluppi solari, prevedendo una traiettoria di utili in crescita fino al 2027 con aspettative di utili per azione rettificati in aumento annuale.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) è specializzata nella produzione di pannelli solari e nella fornitura di servizi completi per impianti fotovoltaici. Il loro uso innovativo della tecnologia a semiconduttore a film sottile li distingue nel settore solare.

Dal punto di vista finanziario, First Solar ha riportato ricavi di 3,56 miliardi di dollari e un reddito netto di 1,02 miliardi di dollari nell’ultimo anno fiscale. Il loro focus su tecnologie sostenibili e l’espansione nei mercati internazionali sottolineano la loro posizione strategica nel settore solare.​

Conclusione

Queste ultime innovazioni rappresentano un passo grande e importante verso la realizzazione del pieno potenziale dell’energia solare. L’energia solare è una risorsa pulita e rinnovabile che offre un’alternativa potente ai combustibili fossili, che inquinano l’ambiente.

Con la domanda globale di energia prevista in aumento nei prossimi anni e l’energia solare sostenibile disponibile in abbondanza, è imperativo sfruttare questa fonte illimitata di energia pulita. Tuttavia, l’energia solare attualmente rappresenta una percentuale davvero bassa (singola) della generazione totale di elettricità globale da tutte le fonti. Questo sottolinea l’urgente necessità di ricerca continua, sviluppo e collaborazione tra governi e organizzazioni per spingere davvero l’uso dell’energia solare in avanti e alimentare l’intero mondo.

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