Notte e sole:una collaborazione possibile

Quando si pensa alla notte gli elementi che la definiscono nella nostra immaginazione sono, solitamente, il silenzio, il buio, la luna e le stelle. Mentre il giorno è caratterizzato da altri fattori, come il sole e la luce.

(Rappresentazione grafica della notte e del giorno, Snehil blog)

Oggi, invece, grazie al progresso scientifico, alla ricerca che molte istituzioni ed aziende stanno portando avanti, è possibile ribaltare la natura ed avere il sole anche di notte. E' ovvio che questo non potrà mai capitare realmente, ma tale affermazione riesce a spiegare molto bene il fatto che grazie alle tecnologie l'uomo ha reso possibile la collaborazione tra notte e sole. Da sempre, infatti, uno dei problemi più incisivi dell'energia solare, e delle altre energie discontinue e non modulabili come anche il vento, è stato quello dell'accumulo: l'energia prodotta da queste fonti rinnovabili è difficile da conservare e quindi da stoccare e questo implica che, ad esempio, quando il sole non c'è si corre il rischio di rimanere senza energia. Questo pericolo è dipeso dal fatto che fino ad ora non è stato individuato un adeguato metodo di stoccaggio dell'energia solare, quelli esistenti come ad esempio le batterie risultano molto costose e poi non dimentichiamo un altro aspetto molto importante, che si degradano molto rapidamente. Altri materiali utilizzati per lo stoccaggio dell'energia, invece, hanno presentato e continuano a presentare problemi di stabilità, maneggevolezza e trasportabilità a basso costo.

Non bisogna però disperare. Infatti, la situazione, potrebbe presto cambiare. Un paio di mesi fa è apparso su una rivista americana, Nature Chemistry, un interessante articolo su una scoperta effettuata da un gruppo di ricercatori americani del Mit di Boston e della Harvard University. Nell'articolo spiegano di aver trovato un modo per immagazzinare l'energia solare sotto forma di calore in modo da averla sempre a disposizione, quindi sarebbero in grado di utilizzarla anche quando il sole non c'è e soprattutto trasferirla dove il sole non arriva.Si potrebbe dire che hanno trovato il modo di produrre energia pulita on demand, indipendentemente dalla presenza costante del sole. Davvero una scoperta rivoluzionaria.

 LA SCOPERTA: ORIGINI E FUNZIONAMENTO

Questi scienziati hanno messo a punto una soluzione che utilizza un materiale in grado di ricevere il calore solare in forma chimica e trattenerlo per usi futuri. Questa scoperta è il risultato di almeno tre anni di lavoro, durante i quali i ricercatori hanno cercato di concretizzare un'idea nata da un'analisi fatta al computer. La difficoltà più grande che ha un po' rallentato i tempi di finalizzazione del progetto è da individuare nelle problematiche riscontrate nel tradurre questa intuizione dalla teoria alla pratica. Concretamente l'ostacolo era rappresentato dalla complessità di individuare la densità di energia ottimale per poterla immagazzinare in un dato peso o volume del materiale. 

Cerchiamo di spiegarci meglio partendo da una definizione: <stoccaggio, la densità di energia è correlata alla massa di un medio di stoccaggio e all'energia che immagazzina. Con una maggiore densità di energia, più energia può essere stoccata o trasportata a parità di massa>>. Mentre quando si parla di stoccaggio dell'energia, si fa riferimento ad una serie di tecniche e processi che permettono di concentrare su supporti diversi, differenti forme di energia per essere utilizzate successivamente.

Quindi nel nostro caso, per raggiungere la densità ottimale per poi procedere con l'immagazzinamento dell'energia, era necessario imballare le molecole avvicinandole molto tra loro. Ed è stato proprio questo passaggio che si è rivelato molto più difficile del previsto. Un altro motivo che aveva da sempre rappresentato un vero e proprio impedimento per il progresso della ricerca e che ha spinto gli scienziati a continuare ad approfondire le sperimentazioni e le ricerche, è stato dato dal fatto che inizialmente l'elemento di base fosse il Rutenio, molto raro e costoso.

Finalmente però, uno degli stessi scienziati del MIT, è riuscito a creare un nuovo materiale di stoccaggio molto più economico e in grado di immagazzinare molta più energia. La soluzione che è servita a semplificare il procedimento utilizza molecole azobenzeniche che, avvicinate fra loro tramite numerosi nanotubi di carbonio anch'essi tra loro molto vicini e successivamente esposte alla luce del sole, possono assorbire energia termica per poi convertirla in "energia chimica" grazie alla loro capacità di passare da una forma all'altra (termica e chimica, appunto) e la caratteristica più importante è che queste molecole possono memorizzare più energia in meno spazio. Si ha quindi una gran quantità di energia accumulata.

(Schematizzazione processo di photoswitches)

Queste molecole, note come photoswitches, riescono a mantenere immagazzinata l'energia solare anche per lungo tempo, per poi tornare alla forma termica e rilasciarla. Si può dire che si comportano come batterie termiche ricaricabili: prendono l'energia dal sole, la conservano a tempo indeterminato e poi la rilasciano su richiesta. Questo rilascio, e quindi il loro ritorno alla configurazione originale, avviene attivando questi photoswitches tramite l'applicazione di una piccola scossa di calore, luce, o elettricità. Durante questo processo di rilassamento, le molecole emanano calore. Tale calore può essere utilizzato direttamente negli impianti di riscaldamento, o può essere usato per generare elettricità. Le molecole, nel frattempo, tornate nella loro configurazione originale sono pronte per essere caricate nuovamente, proprio come una batteria termica ricaricabile.

Fino ad oggi queste molecole sono state le uniche ad essere individuate che presentano la caratteristica di passare dallo stato di accumulo a quello di rilascio del calore in maniera sufficientemente affidabile e reversibile. 

 IL PASSATO?

Come abbiamo visto in precedenza, l'accumulo dell'energia solare o da altre fonti rinnovabili è stato sempre un argomento estremamente interessante per la ricerca e grazie a questa curiosità è in continua evoluzione. In realtà, si tratta un processo naturale vecchio quanto l'universo, infatti tutti sappiamo che l'energia presente al momento della creazione dell'Universo è stata immagazzinata nelle stelle come il sole, ed ora viene usata dall'uomo direttamente o indirettamente.

L'incameramento di energia è diventato un fattore dominante nello sviluppo dell'economia con l'introduzione assai diffusa dell'elettricità e dei combustibili chimici raffinati, come la benzina, il cherosene ed i gas naturali verso la fine del 1800. Nel corso dei secoli sono stati creati tanti modi per immagazzinare l'energia solare: chimico, biologico, elettrochimico, meccanico, termico e fuel conservation storage.

Vediamo di dare qualche indicazione di quelli più rilevanti. 

Il modo più conosciuto e forse il più diffuso è quello elettrochimico, che ha nelle batterie la sua concretizzazione.

Originale e innovativo nel suo funzionamento è, invece, il diamante fotovoltaico di Enel. Si tratta di una struttura a dodecaedro installata a Pratolino e può accumulare l'energia fotovoltaica non immessa in rete sotto forma di idrogeno. Funziona grazie a 38 pannelli fotovoltaici installati sulla struttura che producono energia sfruttando direttamente il sole. La parte non utilizzata durante il giorno, viene accumulata sotto forma di idrogeno tramite celle a combustibile in un apposito serbatoio e può essere utilizzata di notte. 

(Accumulatore di energia, Diamante Enel)

Si può anche immagazzinare energia solare con la tecnologia ad aria compressa, ovvero l'energia prodotta dal pannello solare viene utilizzata per alimentare un compressore che pompa aria dentro un serbatoio. Per riutilizzare l'energia prodotta basta far uscire l'aria e usarla per alimentare un generatore di elettricità. questa opzione, però, presenta numerosi problemi in termini di dispersione del calore, anche se ci sono allo studio diversi progetti per ovviare al problema. 

Si può utilizzare anche l'elettrolisi per immagazzinare l'energia solare utilizzando dei catalizzatori. Questo metodo consiste nel trasformare alcune sostanze, come l'acqua, l'anidride carbonica e altre ancora in elementi che possono immagazzinare energia solare attraverso un processo che sfrutta l'energia elettrica per fare avvenire una trasformazione chimica. L'unico problema è il reperimento di elettro-catalizzatori che siano efficaci, facilmente reperibili ed economici.

PROSPETTIVE

La scoperta degli scienziati americani, secondo i suoi stessi ideatori, potrebbe aprire la strada all'utilizzo di una vasta gamma di materiali possibili per ottimizzare lo stoccaggio di calore. Invece di cercare molecole specifiche di photoswitching: i ricercatori possono ora andare oltre ed esplorare varie combinazioni di molecole e substrati. "Stiamo cercando nuove classi di materiali solari termici in cui è possibile migliorare questa interattività", ha infatti dichiarato Kucharski uno dei ricercatori americani. 

(Cartelli direzionali)

E' una scoperta rivoluzionaria perché verrebbe a sconvolgere e cambiare la fisionomia e il funzionamento di tutte quelle applicazioni legate al calore. Facciamo un esempio, in molte parti del mondo, il combustibile principale utilizzato per la cottura degli alimenti è il legno (o lo sterco), che nel momento in cui si avvia il processo di combustione produce inquinamento e non dimentichiamo poi che l'uso del legname in questo tipo di impiego contribuisce alla deforestazione. Le cucine solari, pensate con questi sistemi in grado di accumulare il calore, potrebbero invece metterlo a disposizione per usarlo in assenza di sole e riducendo l'uso di combustibili fossili e dell'inquinamento perché il sistema utilizzerà materiali in grado di essere continuamente riutilizzati, che non producono alcun tipo di emissioni e che non consumano nulla.

Ci si rende facilmente conto dei risvolti positivi che questa scoperta porterebbe nelle applicazioni dove il calore è l'output desiderato: non solo nelle cucine, ma anche nel riscaldamento degli edifici e nei processi industriali.

CONCLUSIONI

La domanda che sorge spontanea a questo punto è: avremo un futuro in cui poter distribuire l'energia da fonti rinnovabili a comando? Io penso proprio di si.

Inoltre i vantaggi di una scoperta del genere sono sicuramente enormi e di vasta portata: oltre a poter decidere come e quando sfruttare l'energia solare, utilizzandola ad esempio di notte, c'è anche la possibilità di trasportarla senza perdite pressoché ovunque anche nei posti più remoti e inaccessibili. Si può tranquillamente  affermare che questa scoperta rappresenta un importante passo in avanti per le energie rinnovabili, creando un'alternativa ecologica vera e propria rispetto alle fonti di energia tradizionali, visto che nulla è consumato o bruciato durante il processo di produzione.