Dal Dottor Giovanni Ghirga riceviamo e pubblichiamo:
“Le “batterie termiche” potrebbero immagazzinare in modo efficiente l’energia eolica e solare in una rete rinnovabile. Immagazzinato sotto forma di calore in un bagno di materiale fuso, l’energia extra può essere sfruttata quando necessario. I “NORIN” (no alle rinnovabili), causa dei gravi ritardi nella produzione di energia verde in Italia (come all’estero), tutti con grandi e gravi conflitti di interessi, non digeriranno bene queste continue nuove scoperte.
Come imbottigliare energia rinnovabile quando il sole non splende e il vento non soffia? Questa è una delle domande più fastidiose che ostacolano una rete elettrica più verde. Enormi banchi di batterie sono una risposta. Ma sono costosi e sono i migliori per immagazzinare energia per alcune ore, ma non per lunghi periodi di tempo nuvoloso o senza vento.
Un’altra strategia consiste nell’utilizzare l’energia in eccesso per riscaldare una grande massa di materiale a temperature ultraelevate, quindi sfruttare l’energia secondo necessità. Questa settimana, i ricercatori segnalano un importante miglioramento in una parte fondamentale di tale schema: un dispositivo per convertire il calore accumulato in elettricità.
Un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del National Renewable Energy Laboratory ha ottenuto un salto di quasi il 30% nell’efficienza di un termofotovoltaico (TPV), una struttura a semiconduttore che converte i fotoni emessi da una fonte di calore in elettricità, proprio come un la cella solare trasforma la luce solare in energia. “Questa è “roba” molto eccitante”, afferma Andrej Lenert, ingegnere dei materiali presso l’Università del Michigan, Ann Arbor. “Questa è la prima volta che i TPV sono entrati in intervalli di efficienza davvero promettenti, in definitiva è poi ciò che conta per molte applicazioni”.
Insieme ai relativi progressi, affermano lui e altri, il nuovo lavoro dà un grande impulso agli sforzi per implementare le batterie termiche su larga scala, come backup economico per i sistemi di energia rinnovabile.
L’idea è di alimentare l’energia eolica o solare in eccesso a un elemento riscaldante che aumenta la temperatura di un bagno di metallo liquido o di un blocco di grafite a diverse migliaia di gradi.
Il calore può essere riconvertito in elettricità producendo vapore che aziona una turbina, ma ci sono dei compromessi. Le alte temperature aumentano l’efficienza di conversione, ma i materiali delle turbine iniziano a decomporsi a circa 1500°C. I TPV offrono un’alternativa: incanalare il calore immagazzinato in una pellicola o filamento metallico, accendendolo come il filo di tungsteno in una lampadina a incandescenza, quindi utilizzare i TPV per assorbire la luce emessa e trasformarla in elettricità.
Quando i primi TPV furono inventati negli anni ’60, convertivano solo una piccola percentuale dell’energia termica in elettricità. Tale efficienza è balzata a circa il 30% nel 1980, dove da allora è rimasta in gran parte bloccata. Uno dei motivi è che il tungsteno e altri metalli tendono a irradiare fotoni attraverso un ampio spettro, dall’ultravioletto ad alta energia, all’infrarosso lontano a bassa energia. Ma tutti i fotovoltaici, inclusi i TPV, sono ottimizzati per assorbire i fotoni in un intervallo ristretto, il che significa che la luce con frequenze più alte e più basse tende a essere sprecata.
Per il nuovo dispositivo, Asegun Henry, un ingegnere meccanico del MIT, ha armeggiato sia con l’emettitore che con lo stesso TPV. Le precedenti configurazioni TPV hanno riscaldato gli emettitori a circa 1400°C, il che ha massimizzato la loro luminosità nell’intervallo di lunghezze d’onda per cui i TPV sono stati ottimizzati. Henry mirava a spingere la temperatura di 1000°C più in alto, dove il tungsteno emette più fotoni a energie più elevate, il che potrebbe migliorare la conversione di energia. Ma ciò significava anche rielaborare i TPV.
Con i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory, il team di Henry ha posato più di due dozzine di strati sottili di semiconduttori diversi per creare due celle separate impilate una sopra l’altra.
La cella superiore assorbe principalmente fotoni visibili e ultravioletti, mentre la cella inferiore assorbe principalmente gli infrarossi. Un sottile foglio d’oro sotto la cella inferiore riflette i fotoni a bassa energia che i TPV non potrebbero raccogliere. Il tungsteno riassorbe quell’energia, impedendone la dispersione. Il risultato, riporta il gruppo oggi su Nature , è un tandem TPV che converte il 41,1% dell’energia emessa da un filamento di tungsteno a 2400°C in elettricità.
La squadra di Henry vede il modo di fare ancora meglio. Nel numero dell’8 ottobre 2020 di Nature , Lenert e i suoi colleghi hanno riportato uno specchio in grado di riflettere quasi il 99% dei fotoni infrarossi non assorbiti nella fonte di calore . Accoppiare lo specchio con i TPV migliorati del gruppo MIT, potrebbe produrre un altro grande impulso. “Pensiamo di avere un percorso chiaro verso un’efficienza del 50%”, afferma Henry.
I TPV sono costituiti da semiconduttori III-V, chiamati per il punto in cui i loro elementi componenti cadono nella tavola periodica, che sono più costosi del silicio utilizzato nelle celle solari sui tetti. Ma altre parti di una batteria termica, inclusa la grafite, sono economiche. In un documento del 2019 , Henry e i suoi colleghi avevano calcolato che anche un’efficienza del 35% nella conversione da calore a elettricità renderebbe la tecnologia economicamente sostenibile. Il team ha anche creato pompe in ceramica in grado di gestire i metalli liquidi ad altissima temperatura necessari per trasportare il calore in un impianto di accumulo di energia termica su scala industriale. “Hanno costruito una base per immagazzinare e convertire il calore a quelle alte temperature”, commenta Lenert.
Questo progresso ha suscitato interesse commerciale. Antora Energy in California ha lanciato una società di energia termica nel 2016. Lenert e altri stanno osservando le proprie startup. Henry ha recentemente lanciato un’impresa, Thermal Battery Corp., per commercializzare la tecnologia del suo gruppo che, secondo lui, potrebbe immagazzinare elettricità a 10 dollari per kilowattora di capacità, meno di un decimo del costo delle batterie agli ioni di litio su scala di rete. “Immagazzinare energia come calore può essere molto economico”, anche per molti giorni alla volta, afferma Alina LaPotin, una studentessa laureata del MIT e prima autrice dell’attuale articolo su Nature .
Henry e altri aggiungono che i sistemi di accumulo termico sono modulari, a differenza degli impianti a combustibili fossili che sono più efficienti su una scala massiccia, gigawatt. “Ciò li rende ugualmente bravi a fornire energia per un piccolo villaggio, una grande centrale elettrica e per immagazzinare energia da parchi solari ed eolici di qualsiasi dimension, afferma Alejandro Datas, ingegnere elettrico al Politecnico Universitario di Madrid. QUESTO É E SARÀ IL FUTURO”.
ROBERT F. Service. Science, Vol 376, Issue 6590. 13 APRILE 2022.
