L'energia rinnovabile sta crescendo. Finora in 2018, la percentuale di 70 delle aggiunte di capacità energetiche globali nette erano rinnovabili, secondo il Global Status Report di 2018 di REN21. Un quinto dell'energia mondiale proviene già da fonti rinnovabili, una cifra che è solo in aumento.

In questa transizione, l'energia solare si pone in primo piano come una delle fonti di energia rinnovabile più promettenti e in rapida crescita.

In questo articolo, raccontiamo la crescita dell'energia solare e mettiamo in luce gli sforzi dei ricercatori universitari di tutto il mondo impegnati a sviluppare nuove tecnologie solari.

Un'industria in fiore

Mentre il mondo passa all'energia sostenibile, le figure solari saranno al centro della rivoluzione rinnovabile come una delle principali fonti di energia che useremo per alimentare il pianeta.

Già, il solare ha visto una crescita notevole negli ultimi dieci anni. Alla fine di 2017, l'energia solare totale operativa nel mondo ha raggiunto 405 gigawatt, la cui percentuale 89 è stata installata negli ultimi 7 anni.

Sebbene a insieme di tariffe sui pannelli solari importati recentemente imposto dall'amministrazione Trump minaccia di rallentare la produzione solare negli Stati Uniti per i prossimi due anni, non si rallenta la rivoluzione solare.

Il cinquantacinque percento delle nuove installazioni di energia rinnovabile in 2018 in tutto il mondo erano il solare fotovoltaico, più delle aggiunte di combustibili fossili e nucleari combinati. La Cina guida il gruppo, dopo averlo installato 52.8 gigawatt in 2017 - oltre la metà della nuova capacità solare aggiunta lo scorso anno. Nel primo trimestre del 2018, 55 percento di contro tutti i elettricità (che include i combustibili fossili, le fonti energetiche nucleari e rinnovabili) aggiunto negli Stati Uniti era solare.

Il mercato rialzista sembra suggerire che Elon Musk avrebbe potuto avere ragione quando lo disse l'energia solare sarà la più grande fonte di energia del mondo by 2031.

Ma c'è ancora del lavoro da fare prima che l'energia solare possa raggiungere il suo pieno potenziale. Le università di tutto il mondo stanno contribuendo in modo significativo allo sforzo di passare all'energia solare, sostenendo la ricerca pionieristica, sviluppando tecnologie solari o installando energia solare nel campus.

Stanford - batteria a base d'acqua per immagazzinare energia solare ed eolica

I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un batteria a basso costo a base d'acqua che potrebbe essere usato per immagazzinare energia solare ed eolica, potenzialmente fornendo una soluzione a uno dei blocchi più significativi per la transizione completa alle energie rinnovabili.

Hanno sviluppato un piccolo prototipo alto solo tre pollici e genera solo un modesto 20 di milliwattora di energia elettrica, ma sono fiduciosi di poter scalare il loro modello fino a un sistema di livello industriale.

La batteria al manganese-idrogeno funziona sulla base di una reazione chimica tra acqua e solfato di manganese, un sale industriale economico ed abbondante. La reazione è stata sviluppata nel laboratorio di Yi Cui, un professore di scienze dei materiali e ingegneria e autore senior sulla carta.

"Ciò che abbiamo fatto è stato gettato un sale speciale nell'acqua, fatto cadere in un elettrodo e creato una reazione chimica reversibile che immagazzina elettroni sotto forma di gas idrogeno", ha affermato Cui in una nota.

Quando l'energia viene immessa nella batteria, gli elettroni reagiscono con il solfato di manganese nell'acqua, lasciando il diossido di manganese aggrappato agli elettrodi. Questo processo produce gas idrogeno a carica elettrica, che può essere riconvertito in elettricità.

Il passaggio all'energia solare ed eolica richiederà cambiamenti significativi nel modo in cui l'energia viene immagazzinata e dispersa. Queste due fonti di energia sono molto variabili. Cioè, il sole non splende sempre e il vento non soffia sempre.

Ciò comporta un onere per la rete energetica. Se c'è un'impennata della domanda quando il sole non splende, le utility devono avere un modo per inviare quantità significative di energia con breve preavviso. In genere, le utility avranno le cosiddette centrali "dispacciabili" che possono accendersi in pochi minuti per produrre energia veloce. Questa strategia è efficace, ma le centrali elettriche in genere si basano su combustibili fossili, quindi non è esattamente attenta al clima.

Conservare il vento e l'energia solare per l'utilizzo durante le ore di punta in batterie ad alta capacità offre un'alternativa pulita. Considera questa opzione un fondo piovoso per le utenze. Quando la domanda è alta e il sole è basso, le utility possono semplicemente attingere dall'energia immagazzinata nelle batterie.

La sfida sta nel creare una batteria affidabile e a basso costo. Le batterie ricaricabili agli ioni di litio, come quelle del telefono e del laptop, utilizzano materiali rari e quindi sono troppo costose per l'uso su larga scala.

"Altre tecnologie di batterie ricaricabili sono facilmente più di cinque volte di quel costo nel corso della vita", ha affermato Cui in una nota.

La nuova batteria, composta da materiali economici e abbondanti, potrebbe essere la soluzione.

Yale, Princeton, Lincoln e NASA: energia solare dalle alghe

Molto prima dell'invenzione dei pannelli solari, le alghe stavano già sfruttando l'energia del sole. Le alghe, come tutti gli organismi fotosintetici, sono state biologicamente ottimizzate per l'assorbimento della luce da miliardi di anni di evoluzione.

Ora, un team di ricercatori della Yale University, della Princeton University, della Lincoln University e della NASA ha scoperto come sfruttare le abilità fotosintetiche delle alghe per migliorare le prestazioni dei pannelli solari organici.

La ricerca è stata guidata da André Taylor, professore associato di ingegneria chimica e ambientale a Yale, che gestisce l'università Laboratorio di Materiali e Dispositivi Trasformabili.

Quando la luce solare colpisce una cella solare organica, gli elettroni negli "strati attivi" raccolgono energia e iniziano a muovere l'energia attraverso il nucleo del pannello solare.

I materiali utilizzati per creare lo strato attivo sono molto rari e costosi. Questo fatto ha presentato un problema per gli sviluppatori di pannelli solari.

Ma i ricercatori hanno scoperto che un'abbondante specie di alghe nota come "diatomea", o "gioielli del mare", può essere utilizzata per migliorare le prestazioni dello strato attivo.

Hanno disperso le diatomee in tutto lo strato attivo della cella solare, riducendo efficacemente la quantità di materiale necessario per lo strato attivo mantenendo gli stessi livelli di produzione elettrica.

"Siamo stati in grado di vedere qual era la giusta concentrazione e quanta parte di questo materiale avevamo bisogno di mettere nelle nostre celle solari per ottenere miglioramenti", ha detto Lyndsey McMillon-Brown, uno studente di dottorato nel laboratorio di Taylor e autore principale dello studio. una dichiarazione. "È davvero vantaggioso perché i materiali di strato attivo che utilizziamo sono costosi e molto rari."

Mentre continuano a sviluppare la loro tecnologia, i ricercatori stanno sperimentando diversi ceppi di alghe nella speranza di ottimizzare le prestazioni del loro pannello solare.

"Speriamo che questo lavoro faccia luce sull'opportunità di utilizzare la biomimetica o progetti di ispirazione bio per risolvere i problemi di ingegneria", ha affermato McMillon-Brown.

"La natura ha sviluppato molte soluzioni che possono essere utilizzate per risolvere molti dei nostri problemi di ingegneria: non ci resta che imparare come adattarli e applicarli."

Stato del Michigan - pannelli solari trasparenti

Un gruppo di ingegneri della Michigan State University sostengono che i pannelli solari trasparenti, che sembrano identici a una lastra di vetro, potrebbero rivoluzionare la generazione di energia.

In 2014, ricercatori MSU sviluppato un nuovo tipo di concentratore solare che è in grado di raccogliere la luce invisibile del sole e di convertirla in energia utilizzabile. I pannelli sono completamente trasparenti, quindi possono essere posizionati su un'ampia varietà di superfici in vetro, dalle finestre ai telefoni cellulari.

In un documento più recente, gli scienziati hanno riferito che la tecnologia, una volta ulteriormente ottimizzata, potrebbe aprire innumerevoli nuove opportunità per la raccolta di energia solare.

"Le celle solari altamente trasparenti rappresentano l'onda del futuro per le nuove applicazioni solari", Richard Lunt, il professore associato Johansen Crosby di ingegneria chimica e scienze dei materiali presso MSU, ha detto in una nota.

"Abbiamo analizzato il loro potenziale e dimostrato che, raccogliendo solo luce invisibile, questi dispositivi possono fornire un potenziale di generazione di elettricità simile al solare sul tetto, fornendo al contempo funzionalità aggiuntive per migliorare l'efficienza di edifici, automobili ed elettronica mobile."

I ricercatori osservano che negli Stati Uniti esiste una stima di 5 miliardi di 7 miliardi di metri quadrati di superficie di vetro. Se tutto questo vetro fosse coperto da pannelli solari trasparenti, potremmo estrarre 40 per cento della domanda di energia degli Stati Uniti da quella sola fonte.

Il potenziale stimato dei pannelli solari opachi sul tetto riguarda anche il 40%. I ricercatori suggeriscono che le celle trasparenti potrebbero essere utilizzate insieme ai pannelli solari sul tetto.

"La distribuzione gratuita di entrambe le tecnologie", ha affermato Lunt in una nota, "potrebbe avvicinarci all'100 percento della nostra domanda se anche miglioriamo lo stoccaggio di energia".

Per il momento, le celle solari trasparenti sono ancora molto meno efficienti dei tradizionali pannelli solari. Stanno registrando efficienze superiori al 5 per cento, rispetto a circa 15 a 18 per cento per la maggior parte dei pannelli solari tradizionali.

Tuttavia, Lunt ha detto che potrebbero essere almeno vicini a quelli dei pannelli solari tradizionali con un maggiore sviluppo. Ha sottolineato che i pannelli solari trasparenti sono ancora una tecnologia molto nuova e al momento sono solo circa un terzo del loro potenziale complessivo realistico.

"Questo è ciò su cui stiamo lavorando", ha detto Lunt in una dichiarazione.

“Le applicazioni solari tradizionali sono state attivamente studiate per oltre cinque decenni, eppure abbiamo lavorato su queste celle solari altamente trasparenti per circa cinque anni. In definitiva, questa tecnologia è una strada promettente verso l'adozione solare poco costosa e diffusa su superfici piccole e grandi che in precedenza erano inaccessibili.

Università del Maryland - "casa come un kit di componenti" sostenibile

Una squadra di studenti dell'Università del Maryland inserito prima negli Stati Uniti e il secondo nel mondo presso il Solar Decathlon 2017 del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, per l'ingresso di un prototipo di casa ad efficienza energetica e ad energia solare, denominata Adaptive Climate Technology (reACT) resiliente.

Il decathlon è una competizione internazionale annuale che sfida le squadre di tutto il mondo a progettare una casa a energia solare a grandezza naturale.

Il prototipo progettato dal team UMD è descritto come una "casa come un kit di parti". È composto da cinque moduli adattabili centrati attorno a un cortile interno.

Il cortile funge da punto focale della casa. Serve sia come confortevole veranda, sia come ampio collettore solare per preriscaldare aria e acqua.

La casa comprende anche un interno a pannelli con sistemi viventi separati dalla sua struttura, dando ai proprietari la possibilità di adattare la casa alle loro esigenze e ai loro desideri. Funziona con completa autosufficienza e include sistemi che catturano rifiuti, acqua ed energia.

 

I ricercatori hanno affermato che reACT è stato progettato per essere in completa armonia con la natura.

"Sono state ricercate soluzioni progettuali integrate e olistiche il maggior numero possibile di luoghi al fine di costruire una casa in armonia con la natura dove non si spreca nulla di organico", ha affermato Chris Cestello Hinojosa, assistente alla direzione delle comunicazioni e delle relazioni esterne per la School of Architecture, Planning e conservazione.

“Abbiamo basato il nostro design sulla filosofia della biofilia e della rigenerazione; che sta trovando un uso per il prodotto "rifiuto" di un processo che può servire come risorsa per un altro ".

UC–Irvine, Caltech & Carnegie Institution for Science — approvvigionamento di energia statunitense da eolico e solare

Uno studio congiunto condotto da ricercatori dell'Università della California-Irvine, del California Institute of Technology e del Carnegie Institution for Science ha scoperto che con grandi investimenti, gli Stati Uniti potrebbero fonte affidabile 80 della sua domanda di energia elettrica solo dal vento e dall'energia solare.

La ricerca aiuta a dissipare le preoccupazioni che l'energia solare ed eolica sono troppo inaffidabili perché dipendono dal tempo, che è variabile per natura.

"Il sole tramonta e il vento non soffia sempre" Steven Davis, professore associato di scienze del sistema terrestre presso l'UCI e coautore dello studio, ha dichiarato in una nota. "Se vogliamo un sistema di alimentazione affidabile basato su queste risorse, come gestiamo i loro cambiamenti giornalieri e stagionali?"

I ricercatori hanno analizzato gli anni 36 (1980-2015) dei dati meteorologici statunitensi orari, nel tentativo di comprendere quanto sia significativa la variabilità del sole e del vento che potrebbe influire sull'affidabilità di queste due fonti.

"Il numero percentuale di 80 si riduce alla variabilità naturale del sole e del vento", ha affermato Davis. "Se vogliamo ottenere più del 80 della nostra energia da queste due fonti, la quantità richiesta di stoccaggio di energia o capacità di produzione di energia solare ed eolica aumenta drasticamente."

Per raggiungere il marchio percentuale 80, gli Stati Uniti dovrebbero effettuare sostanziali investimenti in ogni aspetto dell'energia solare ed eolica in modo da poter catturare energia ma, cosa più importante, disporre di riserve sufficienti per resistere alle variazioni meteorologiche.

"L'analisi presuppone che costruiremmo molti pannelli solari e turbine eoliche per sfruttare tali risorse", ha affermato Davis.

"Ma arrivare al 80 percento richiederebbe anche sostanziali aumenti dello stoccaggio di energia o della nostra capacità di spostare l'elettricità in tutto il paese attraverso le linee di trasmissione".

Questo investimento includerebbe la costruzione di una rete di trasmissione su scala continentale o di strutture in grado di immagazzinare fino a 12 ore di energia per l'intera nazione. Un tale progetto potrebbe costare centinaia di miliardi di dollari - se non trilioni - in dollari di oggi, ma il calo dei prezzi potrebbe renderlo più fattibile in futuro.

L'approvvigionamento di 100 percentuale della nostra energia da vento e solare è meno probabile. I costi aumentano nettamente dopo la soglia percentuale 80. Ciò richiederebbe la costruzione di un numero doppio di pannelli solari e turbine eoliche o di avere diverse settimane di stoccaggio.

Ciò suggerisce che avremo bisogno di integrare il solare e l'eolico con altre fonti energetiche, che potrebbero includere entrambe le opzioni rinnovabili, come l'energia idroelettrica o fonti pulite e non rinnovabili come il nucleare.

Tuttavia, i risultati dello studio sono di buon auspicio per il futuro delle energie rinnovabili.

"Il fatto che potremmo ottenere l'80 percento della nostra energia dal solo vento e dal sole è davvero incoraggiante", ha detto Davis in una nota.

"Cinque anni fa, molte persone dubitavano che queste risorse potessero rappresentare oltre il 20 o il 30 percento."

Quindi, dove ci lascia questo?

C'è ancora molto lavoro da fare. A partire da ora, stiamo lavorando a ritroso nella lotta contro il cambiamento climatico. Abbiamo già esaurito le nostre risorse naturali per l'annoe gli effetti dei cambiamenti climatici stanno diventando sempre più chiaro e più pericoloso.

Tuttavia, i progressi significativi nel solare possono offrire una via d'uscita, o almeno un modo per una transizione fattibile alle energie rinnovabili nei prossimi anni. Nel 2017, solo l'1.3% dell'energia statunitense è stato originato dal solare. Con il continuo investimento e lo sviluppo di tecnologie solari, questo numero aumenterà sicuramente nei prossimi anni.

Arrivare là sarà impossibile senza gli sforzi pioneristici dei ricercatori universitari in tutto il mondo.