Here comes the sun

Here comes the sun

Daniel Nocera
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Gli scienziati hanno avviato un processo di "rivoluzione" low carbon, basato sul solare che consentirà di tenere sotto controllo le emissioni di Co2 anche a fronte del previsto aumento della domanda di energia

Correva l’anno 1898, quando progettisti e ingegneri civili si diedero appuntamento a New York City per discutere il più grande problema con cui si confrontava la società del tempo: il letame equino. Al picco della rivoluzione industriale, la popolazione era in espansione e le carrozze a cavalli erano il modo di trasporto più diffuso, con la conseguenza che il letame equino andava accumulandosi nelle città. L’analisi prospettica delle necessità di trasporto della popolazione in crescita condusse ad una conclusione allarmante. Come scrive Eric Morris in ACCESS (n. 30 Estate 2007) "la situazione appariva tremenda" con delle stime secondo cui "entro il 1950 ogni strada di Londra sarebbe stata seppellita sotto tre metri di letame" e a New York City, "gli escrementi di cavallo avrebbero raggiunto le finestre al terzo piano dei negozi di Manhattan". I partecipanti alla Conferenza erano "spiazzati dalla crisi" e quindi decisero di sciogliere quella Conferenza di dieci giorni dopo solo tre giorni, poiché "la conferenza sulla pianificazione urbana ha concluso che il suo lavoro è sterile". Dubito che la maggior parte dei lettori abbia mai sentito parlare della "crisi del letame equino", perché la scienza e la tecnica stavano sviluppando una serie di "rivoluzioni" tecnologiche che avrebbero cambiato il corso della società. Il geologo canadese Abraham Gesner aveva già scoperto i processi di distillazione per produrre il cherosene dal carbone intorno al 1846 e le prime raffinerie di petrolio sono state costruite entro il 1856. Nel frattempo, parecchi ingegneri hanno condotto ricerche per mettere a punto dei motori che potessero essere alimentati da idrocarburi, finché Karl Benz non assemblò nel1885 il Benz Patent Motorwagen a Mannheim, Germania, riconosciuto dai più come la prima automobile funzionante alimentata da un motore a combustione interna. Perciò intorno al 1898, quando i leader intellettuali di tutto il mondo si diedero appuntamento a New York City, pochi avevano capito che la scienza e la tecnica avevano già inaugurato un processo di "rivoluzione" un decennio prima, scongiurando l’immanente crisi sociale del letame equino.

Il ruolo della scienza e della tecnica nel nostro futuro

Lanciato un processo #lowcarbon basato sul #solare. Ma #disruption e' fondamentale per un nuovo modello #energetico

Le analogie tra la crisi del letame equino del 1898 e la discussione odierna sulla crisi energetica sono sorprendenti. Oggi una popolazione mondiale in crescita, soprattutto nei paesi emergenti, sta trainando una domanda energetica in accelerazione. Si prevede che la popolazione mondiale cresca entro il 2050 dagli attuali 7,3 miliardi a 9,7 miliardi. Oltre a questi 2,5 miliardi di nuovi abitanti del pianeta, 3 miliardi di persone nei paesi emergenti vogliono raggiungere uno stile di vita più alto. Dal momento che il consumo di energia è direttamente proporzionale alla produzione interna di un paese, il suo fabbisogno energetico non farà altro che aumentare velocemente con la sua modernizzazione. Come conseguenza della domanda energetica che deriva da questa crescita demografica e dalla crescita delle aspirazioni e dei bisogni di miliardi di persone nelle economie emergenti, si prevede che il tasso di consumo energetico primario mondiale raddoppi entro la metà del secolo e triplichi verso la sua fine. Se il fabbisogno di energia sarà soddisfatto con la nostra attuale infrastruttura energetica, la concentrazione di diossido di carbonio nell’atmosfera probabilmente si raddoppierà, per poi triplicarsi entro questo secolo. Come nella Conferenza del 1898 sul letame equino, un’ansia considerevole circonda la decisione di mantenere uno schema energetico basato sul carbonio, uno schema che ci porterebbe a seppellire noi stessi, questa volta non sotto il letame, ma sotto la CO2. Mentre le conseguenze di questa crescita non possono essere previste con precisione, è certo che stiamo sconvolgendo il pianeta ad un livello mai raggiunto prima. La situazione appare tremenda. Ma non c’è grande consapevolezza del fatto che, ancora una volta, la scienza e la tecnica hanno inaugurato un processo di "rivoluzione" che punta a contenere l’immanente crisi sociale del carbonio. La comunità scientifica sta puntando su un approvvigionamento di energie rinnovabili basato sul solare per il futuro del pianeta. L’ultimo decennio di ricerche e sviluppi tecnologici sull'energia solare hanno portato a delle scoperte sbalorditive che pongono le basi per un nuovo paradigma per il modello energetico mondiale. I cambiamenti seguono due direttive: produzione e stoccaggio. Per quanto riguarda la prima, i nuovi macchinari e le nuove tecniche di produzione del fotovoltaico hanno portato a un'efficienza senza precedenti per la produzione di elettricità dalla luce solare. Chi avrebbe potuto immaginare meno di un decennio fa che un pannello solare fotovoltaico che funziona con un livello d’efficienza superiore al 20% sarebbe stato fabbricato a partire dalla semplice precipitazione di un materiale semiconduttore da una soluzione? Si tratta infatti della perovskite che combina composti organici e inorganici. L’alta efficienza è stupefacente rispetto a quanto costa poco produrla e quanto è facile utilizzarla nella costruzione, sebbene presenti degli ostacoli alla sua implementazione (i materiali a più alta efficienza sono sensibili all'umidità e necessitano di un metallo pesante come il piombo). Un progresso futuro con un impatto particolarmente forte sulla generazione del solare sarà la produzione roll-to-roll su substrati flessibili. Anche se sono stati fatti degli enormi progressi negli ultimi anni per il silicio amorfo (a-Si) e con il potenziale offerto dai materiali che combinano elementi della tavola periodica nei Gruppi III e V (comunemente noti come i fotovoltaici "3-5"). Ciò nondimeno, è giusto dire che nessuno di questi progressi è davvero necessario così come nessuna di queste scoperte scientifiche ha la portata rivoluzionaria di un cambiamento epocale nella produzione. A seguito dell’importante impegno cinese nella produzione di silicio cristallino (c-Si), i prezzi di un modulo solare si aggirano intorno al mezzo dollaro a watt. Di conseguenza, non c’è un gran bisogno di scoperte nel campo della produzione solare, visto che il c-Si (che ha anche dimostrato di raggiungere un’efficienza del 25,6%) è già abbastanza economico per un’implementazione diffusa del solare. Ciò, tuttavia, non è ancora accaduto. È ovvio chiedersi il perché. La risposta semplice, dato l’impegno cinese nella produzione di c-Si, è che il problema non è nella generazione ma nello stoccaggio. Da quando l’energia solare viene stoccata, diventa una materia prima. Perciò, lo stoccaggio d’energia rappresenta la vera sfida critica per intraprendere il cammino della diffusione delle energie rinnovabili.

22 Paesi alla fine del 2015 disponevano già di una capacità sufficiente a soddisfare più dell'1% della propria domanda di elettricità 50 GW di energia solare aggiunta nel 2015 a livello globale (REN21)

La vera sfida passa attraverso lo stoccaggio di energia

Lo stoccaggio delle energie rinnovabili pone degli obiettivi diversi a seconda che sia destinato ai trasporti o meno, in quest’ultimo caso, a seconda che la distribuzione sia centralizzata (attraverso una rete come per i mercati maturi) o decentralizzata (come è più frequente nei mercati emergenti). Lo stoccaggio di energia per il settore dei trasporti è stato dominato dalle batterie agli ioni di litio (Li-ion), con però poca innovazione nei materiali per le batterie, con l’associazione del Li-ion con l’ossido di cobalto, manganese o nickel (e con combinazioni di questi metalli) o come un titanato o un fosfato di ferro. Al contrario, la rivoluzione nel Li-ion è arrivata con lo sforzo verso una produzione di larga scala, che si sta dimostrando molto importante per la crescita esplosiva del mercato dei veicoli elettrici. Spesso la prospettiva di batterie Li-ion nel settore EV è estesa ad applicazioni stazionarie su larga scala (reti), che richiedono un livello di prezzi molto inferiore rispetto a quello del settore dei trasporti. Le estrapolazioni della "curva di apprendimento" applicata al Li-ion lo fanno spesso apparire come un’alternativa percorribile per le tecnologie di stoccaggio su larga scala. Tuttavia, queste estrapolazioni sono probabilmente sovrastimate, giacché ci si confronterebbe a una limitazione dei materiali (non solo per il litio ma anche per gli altri ossidi di metallo) su larga scala. Una tecnologia più promettente per lo stoccaggio di rete è rappresentata dalle batterie di flusso redox (RFBs), che sono davvero delle "pile a combustibile" ricaricabili in cui una soluzione elettroattiva attraversa una cellula elettrochimica che converte reversibilmente l’energia chimica direttamente in elettricità. Le RFB sono un’opzione tecnologica importante, perché la densità energetica e il potere energetico sono separati e quindi rappresentano una tecnologia di stoccaggio versatile per l’operatore di rete. Il livello dei prezzi delle batterie di flusso redox è ben al di sotto delle batterie Li-ion e alcune RFB sono state acquisite da grandi società di produzione per una commercializzazione su scala della capacità di stoccaggio di megawatt. Allo stesso tempo, le RFB sono anche un’alternativa praticabile per lo stoccaggio d’energia di micro-reti nei mercati dell’energia emergenti. È importante capire che le RFB hanno una corrente e una densità energetica più basse delle Li-ion per cui le RFB si adattano solo allo stoccaggio stazionario d’energia su larga scala, mentre le Li-ion sono ideali per il settore dei trasporti. Le batterie non si adattano bene all’equivalente in terawatt dello stoccaggio energetico che serviva a metà del secolo a causa della loro limitata densità energetica. In una batteria, gli elettroni devono risiedere negli atomi e quindi l’energia immagazzinata è limitata dalla densità fisica della sostanza. Dato che il litio è un degli elementi più leggeri della tavola periodica, e quindi ha una densità fisica molto bassa, l’energia immagazzinabile sotto forma di elettroni all’interno delle batterie ha già raggiunto il suo massimo. La società ha intrinsecamente compreso questa limitazione. Sebbene le batterie esistano sin dall’inizio del 18° secolo, i combustibili a base di idrocarburi sono stati adottati immediatamente nel 20° secolo per alimentare l’industrializzazione. La densità energetica di un combustibile liquido è 50-100 volte maggiore di quella di una batteria e perciò il futuro dello stoccaggio d’energia non cambierà, perché lo stoccaggio su larga scala d’energia dovrà necessariamente ricorrere ai combustibili chimici. Le scoperte dell’ultimo decennio hanno posto le basi per una rivoluzione volta a convertire il modello a combustibili fossili in un modello a carburanti solari.

Il sole non solo per produrre energia ma per renderla carbon free

Il processo più semplice per immagazzinare l’energia solare sotto forma di carburante con emissioni zero di carbonio è quello di utilizzare il sole per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Ricombinando l’idrogeno e l’ossigeno, si riconverte l’energia solare immagazzinata in una forma sfruttabile (elettricità attraverso pile a combustibile) dove e quando occorre. In questo ciclo di carburanti rinnovabili, non viene prodotto diossido di carbonio e non c’è spreco di acqua, dato che è il prodotto della ricombinazione dell’idrogeno e dell’ossigeno. In meno di un decennio, sono stati fatti dei progressi notevoli in quest’area delle energie rinnovabili. Sono stati creati dei catalizzatori a partire da elementi abbondanti sulla Terra per effettuare la scissione dell’acqua in condizioni tecnologicamente semplici (e quindi poco costose). Se integrato direttamente con del silicio (cioè la foglia artificiale) o indirettamente allacciandolo ad un impianto fotovoltaico al silicio, sono state raggiunte delle efficienze nell’idrogeno rispetto all’energia solare che superano il 10%, con l’obiettivo del 15% all’orizzonte. La sfida di utilizzare l’idrogeno come combustibile è la mancanza di un’infrastruttura diffusa per il suo utilizzo. A questo proposito, l’aumento di popolarità del gas naturale potrebbe portare ad un’infrastruttura per l’idrogeno, dato che l’idrogeno può essere generato combinando il gas naturale con l’acqua (in un processo chiamato reforming, ovvero ricostituzione). Da quando il gas naturale ha assunto una maggiore importanza, il prezzo dell’equivalente in idrogeno di un gallone di gas è vicino agli 1,50 USD e la generazione d’idrogeno sul luogo d’utilizzo è diventata fattibile con il processo di reforming sul sito (anche se deve ancora raggiungere una forma efficace rispetto ai costi), riducendo la necessità di un’infrastruttura per la distribuzione dell’idrogeno. Va rilevato che, nel processo di reforming del gas naturale con l’acqua, viene prodotto del diossido di carbonio oltre all’idrogeno. Quindi è un piccolo passo verso la separazione dell’acqua ricorrendo al sole, come una versione ad emissioni zero del processo di reforming con il metano per la produzione dell’idrogeno. La fotosintesi naturale si trova di fronte alle stesse sfide nello stoccaggio dell’idrogeno rispetto alla nostra società. Anche la fotosintesi utilizza il sole per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Per aggirare il problema dello stoccaggio dell’idrogeno, essa combina l’idrogeno derivante dalla scissione dell’acqua con il diossido di carbonio per produrre carboidrati o qualche altra forma di biomassa. A parità di elettroni, la produzione di carboidrati immagazzina soltanto meno dell’1% in più rispetto alla scissione dell’acqua. Lo stoccaggio dell’energia solare nella fotosintesi è quindi ottenuto con la scissione dell’acqua; i carboidrati sono il metodo che la natura utilizza per stoccare l’idrogeno generato dalla reazione di scissione dell’acqua. Anche qui, i progressi della scienza sono stati sorprendenti. Attraverso gli strumenti della biologia sintetica, sono stati modificati degli organismi per respirare nell’idrogeno generato dalla scissione dell’acqua e per combinare lo stesso con il diossido di carbonio, producendo una biomassa superiore del 10% rispetto all’efficienza del processo di produzione dal solare. Rendendosi conto che nei casi migliori si è raggiunta un’efficienza della biomassa dell’1%, si capiscono i risultati straordinari raggiunti dalla scienza nell’ultimo decennio. Ancora più sorprendente è che gli organismi sono stati ulteriormente modificati per bypassare la biomassa e sintetizzare direttamente un carburante liquido con un’efficienza del 5-7%. Perciò la scienza ha dimostrato che noi, come società, possiamo ampiamente superare il processo d’energia solare della natura che regola il nostro pianeta.

227 GW di energia solare fotovoltaica a livello globale nel 2015 (REN21) 3,8 milioni - di posti di lavoro diretti e indiretti nel settore dell'energia solare

Serve un cambiamento del nostro modello energetico

L’insieme dei progressi scientifici e tecnologici soltanto dell’ultimo decennio ci mostra che siamo in grado di generare energia solare con il silicio in modo efficiente rispetto ai costi. Le batterie possono immagazzinare l’energia rinnovabile e soddisfare il nostro fabbisogno d’elettricità nei trasporti e nelle reti. L’energia solare può essere immagazzinata sotto forma di carburanti chimici di idrogeno, biomassa e carburanti liquidi, e con un’efficienza che consente alla società di avviarsi davvero verso una ristrutturazione del sistema energetico basato sui fossili in uno basato sull’energia solare. La rivoluzione della scienza e della tecnologia per un’evoluzione storica del sistema energetico mondiale ora esiste. Ci si chiede quindi perché non venga adottato. In breve, l’ultimo secolo ha visto un investimento massiccio in un modello energetico che è costato molto. Perciò non c’è scoperta che possa soppiantare quest’infrastruttura energetica nei mercati maturi. In questo, le economie emergenti possono dare una speranza per la creazione di una società mondiale con un modello energetico rinnovato. In assenza di grandi investimenti, è più facile per le economie emergenti saltare direttamente il modello energetico dominante per adottare le innovazioni e le nuove tecnologie delle energie rinnovabili. In entrambi i casi, per i mercati maturi e quelli emergenti, bisogna imporsi un imperativo sociale di un cambiamento del nostro modello energetico che vada aldilà dei costi di breve periodo. Sfortunatamente, il prezzo di seppellire noi stessi sotto il diossido di carbonio non è stato inserito nell’attuale formula di cambiamento della società. Quando ciò accadrà, scienza e tecnologia saranno pronte ad un rivoluzionario cambio di paradigma per rendere il sole la fonte diretta d’energia per l’umanità.

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