IL FOTOVOLTAICO SENZA SOLE

di: DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA (ENEA)

L’applicazione del procedimento può risultare molto utile in questa tecnologia promettente:

“Il fotovoltaico senza sole”

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Dal MIT un'innovazione nel campo del settore termofotovoltaico. Un sistema che usa le celle fotovoltaiche per convertire il calore in elettricità, anziché la luce. Un miglioramento dell'efficienza che apre a nuove applicazioni. La chiave è in un materiale che, scaldato, irradia solo le lunghezze d'onda che le celle convertono. Un passo in avanti grazie alle nanotecnologie.

Un sistema fotovoltaico che non ha bisogno del sole per produrre elettricità, ma funziona convertendo il calore. Come spesso accade, il concetto, alla base del termofotovoltaico, non è nuovo ma, grazie a innovazioni nei materiali con conseguente aumento dell'efficienza, diventa improvvisamente più interessante e si apre a nuove applicazioni.

Nei laboratori del Massachussets Institute of Technology (MIT), infatti, grazie alle nanotecnologie, hanno trovato il modo di modellare la superficie di un materiale facendo sì che converta il calore in precise lunghezze d'onda, quelle stesse che le celle fotovoltaiche riescono meglio a convertire in elettricità. Ne esce un sistema termofotovoltaico molto più efficiente di quelli che esistevano finora.

La chiave per ottenere questa emissione a lunghezze d'onda calibrate sta in un materiale sulla cui superficie vengono ricavate miliardi di cavità di dimensioni nanometriche (vedi foto al microscopio accanto al titolo). Quando questo materiale assorbe calore – sia dal sole che da combustibili fossili o da qualsiasi altra fonte – la superficie così lavorata irradia energia a lunghezze d'onda ben definite.

Basandosi su questa tecnologia i ricercatori del MIT hanno creato un generatore delle dimensioni di un bottone, che, alimentato a butano, può produrre elettricità tre volte più a lungo rispetto ad una batteria al litio delle stesse dimensioni e si può ricaricare istantaneamente inserendo una nuova micro-cartuccia di carburante (vedi foto). Un'altra applicazione che sfrutta questo sistema termofotovoltaico è un generatore alimentato da un radioisotopo che produce calore stabilmente per decadimento radioattivo: il dispositivo può produrre elettricità per 30 anni senza essere rifornito di carburante, l'ideale ad esempio per missioni aereospaziali.

Nella foto: i microreattori basati su chip al silicio sviluppati all'MIT. Ognuno ha dei cristalli fotonici su entrambe le facciate piatte, i tubicini servono per iniettare carburante ed aria e far fuoriuscire gli scarichi. Dentro al chip combustibile ed aria reagiscono producendo calore, che scalda i cristalli fotonici. Le celle fotovoltaiche, se i reattori fossero in uso, andrebbero montate a ridosso di entrambe le facciate, lasciando un piccolo spazio.

Ma le applicazioni potrebbero essere molte altre. Su queste pagine abbiamo parlato spesso delle potenzialità dei nuovi sistemi che riescono a convertire  in elettricità  - con buone efficienze e senza passare per l'energia meccanica - il calore, in larga parte sprecato.

Secondo i dati della U.S. Energy Information Administration, il 92% dell'energia che usiamo deriva dalla conversione di calore in energia meccanica e da lì spesso in elettricità, ad esempio facendo bollire liquidi per far girare una turbina collegata ad un generatore elettrico. Il problema è che i sistemi meccanici hanno efficienze relativamente basse e non possono essere ridotti più di tanto in quanto a dimensioni. Chiare le potenzialità di un processo che invece riesce a trasformare il calore direttamente in elettricità, senza usare parti in movimento e che è applicabile anche su scale piccolissime, oltre ad essere relativamente economico.

Che il fotovoltaico potesse lavorare direttamente con il calore d'altra parte non è una novità: il termofotovoltaico nasce circa mezzo secolo fa, abbinando celle FV a varie fonti di calore che scaldano materiali emittenti irradiando calore e luce ai diodi della cella. Il problema era che questi materiali irradiavano energia su lunghezze d'onda molto più verso l'infrarosso di quello che accade nello spettro solare; una lacuna che era stata in parte compensata nell'ultimo decennio con l'introduzione di celle fotovoltaiche, dette a “low band-gap”, che riescono a convertire molta più radiazione all'infrarosso rispetto alle celle convenzionali. Nonostante questo, gran parte del calore continuava ad andare perso e dunque le efficienze restavano basse.

Da qui l'innovazione introdotta da Ivan Celanovic e i suoi colleghi all'MIT: un materiale che assorbe il calore ed emette solo le lunghezze d'onda che i diodi della cella FV possono assorbire e convertire in elettricità. Un cristallo fotonico ottenuto modellando a livello nanometrico la superficie di una piastrina di tungsteno in un pattern regolare di cavità e rilievi, che cambiano il modo in cui la luce si propaga. Quando il supporto si scalda, in questo modo, genera una luce intensa con uno spettro alterato, dato che ogni buca (che sarebe un difetto importante nella struttura atomica del materiale) agisce creando una risonanza, che lascia fuggire solo radiazioni  di una certa lunghezza d'onda.

Solare termoelettrico, la terza via per l'elettricità dal sole

Un collettore solare che produce sia calore che elettricità, convertendo la differenza di temperatura direttamente, senza turbine o parti meccaniche. Al MIT, grazie alle nanotecnologie, migliorata di 8 volte l'efficienza dei generatori termoelettrici che sfruttano l'effetto Seebeck. Integrati al solare termico promettono molto.

Semplice come un pannello solare termico, ma capace di produrre anche elettricità oltre ad acqua calda. Un generatore di elettricità che sfrutta il calore del sole senza usare turbine o parti mobili, come invece avviene nel solare termodinamico, ma convertendo la differenza termica direttamente in elettricità. Il solare termoelettrico, finora messo in ombra dai più convenienti sistemi fotovoltaici e termodinamici, potrebbe essere la promettente terza via per l'elettricità e il calore dal sole. Una innovazione del Massachussets Institute of Technology promettere infatti di rimettere in corsa questa tecnologia. Nei laboratori del MIT, grazie alle nanotecnologie, è nato un generatore solare termoelettrico con un efficienza circa 8 volte superiore rispetto ai dispositivi dello stesso tipo esistenti (nella foto, cortesia MIT, nelle mani del professor Gang Chen, affiancato dal ricercatore Daniel Kraemer).

Il sistema termoelettrico del MIT, descritto in uno studio pubblicato da Nature Materials, a differenza di altre tecnologie che sfruttano il calore del sole, come i vari tipi di impianti di solare termodinamico, non ha parti in movimento, né turbine, né tanto meno sistemi a specchi o inseguitori. Si tratta di un collettore simile a quelli solari termici. Come questi può produrre acqua calda, ma converte anche la differenza di temperatura in elettricità.

Cuore della tecnologia è infatti un generatore termoelettrico che funziona secondo l'effetto Seebeck, per il quale una differenza di temperatura tra due diversi conduttori crea una corrente elettrica quando due giunzioni sono tenute a temperature diverse. Il generatore termoelettrico nel collettore dell'MIT è realizzato con l'ausilio delle nanotecnologie e posto in una camera di vetro sottovuoto. Una parte è ricoperta da una piastra di rame nera che assorbe calore, ma non lo disperde per irradiazione; l'altra parte del generatore è invece a contatto con l'aria a temperatura ambiente. Riesce così a sviluppare differenze di temperature tra i due conduttori di circa 200 °C e a produrre elettricità.

L'efficienza che raggiunge nella produzione elettrica - del 4,6% - è piuttosto bassa se paragonata a quelle del fotovoltaico, in media 15-20% (le celle FV da record vanno oltre il 40%). Ma la tecnologia in questione ha caratteristiche che la potrebbero rendere molto interessante: richiede molti meno materiali per essere costruita e potrebbe dunque diventare molto più economica una volta diffusa. E poi funziona bene anche senza irradiazione diretta e, come detto, può produrre assieme acqua calda, calore ed elettricità, dimezzando così i costi.

Quella dei nanomateriali applicati ai generatori termoelettrici come questo, spiegano dal MIT, è uno dei filoni di ricerca promossi dal Department of Energy Usa (Doe). Una delle applicazioni principali per cui si stanno sviluppando questi generatori è recuperare il calore sprecato dai motori a combustione di automobili e camion, ma anche nel solare questa tecnologia “ha un ruolo importante da giocare”.

Un approccio, spiega il professor Li Shi, della University of Texas di Austin, “molto nuovo, semplice e che si presta a uno sviluppo low-cost”. L'efficienza del 4,6% raggiunta, spiega Shi, è “già impressionante”, ma “con l'uso di nuovi materiali termoelettrici che possono operare a temperature più alte, può essere ulteriormente migliorata fino ad arrivare ad essere competitivi con le celle fotovoltaiche al silicio amorfo di ultima generazione. Questo potrebbe delineare una via diversa per arrivare ad avere elettricità dal sole ad un dollaro per watt”.

La nuova tecnologia, commenta il professor Gand Cheng, uno degli sviluppatori, non sarebbe un sostituto del fotovoltaico, ma offre “un'altra via” per sfruttare la immensa quantità di energia che il sole offre. Visto che il generatore termoelettrico può essere integrato in collettori solari termici potrebbe essere messo in campo molto facilmente,“senza bisogno di incentivi”: un'innovazione che “potrebbe cambiare la partita”.

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