La batteria di vetro proposta da Goodenough

Le batterie sono uno degli elementi principali nella transizione dall’energia fossile a quella elettrica. Le batterie agli ioni di litio che si trovano in cellulari e computer di ogni tipo. Hanno buone performance ma vengono con diversi svantaggi:

  • tempi di ricarica
  • elementi difficilmente riciclabili
  • pericolo di esplosione

La batteria proposta da Goodenough sembra eliminare tutti questi problemi migliorando allo stesso tempo le prestazioni. Si parla di una densità di carica almeno 3 volte superiore e un numero di cicli di ricarica ≈1200, superiore rispetto alla batteria agli ioni di litio. Inoltre le batterie di vetro non avendo componenti liquide possono funzionare in ambienti ostili con temperature fino a -20°C.

Schema di una batteria agli ioni di litio:

batteria agli ioni di litio

Gli e migrano dall’anodo verso il catodo dando origine ad una corrente di verso opposto. Gli ioni Li+ migrano nello stesso verso attraverso la membrana di separazione per via di un gradiente elettrochimico.

Il problema maggiore riguarda la formazione di dendriti cioè prolungamenti metallici che possono cortocircuitare la batteria dando luogo a esplosioni o incendi. Il catodo delle batterie al litio è fatto di materiali come l’ossido di cobalto con un importante impatto ambientale.

Schema di una batteria di vetro:

batteria goodenough

Nel caso delle batterie studiate da Goodenough l’idea di base è quella di sostituire l’elettrolita liquido e la membrata separatrice con un mezzo solido in grado di evitare la formazione di dendriti.

Viene utilizzato un vetro drogato con atomi metallici per permettere il passaggio degli ioni Na+. Gli elettrodi vengono sostituiti: anodo fatto di metallo puro (Na) e il catodo di rame (Na disposto in superficie). Goodenough ha specificato che l’energia di Fermi dell’anodo è superiore a quella del catodo pertanto vi è un gradiente dovuto a diversi livelli nell’Energia di Fermi (simile a gradiente elettrochimico) in grado di trasportare gli ioni Na+ durante la scarica.

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Fusione Nucleare, confinamento del plasma per più di 1 minuto in Cina

La fusione consiste nel fondere nuclei di H in presenza di temperature paragonabili a quelle esistenti nel nucleo solare per ottenere energia e nuclei di He. La fusione prevede che il plasma venga confinato per via di magneti in modo che non possa interagire con le pareti del reattore.

Di recente al Max Planck Institute in Germania sono stati raggiunti 100 milioni di K per 1 secondo. La novità dell’esperimento cinese (Experimental Advanced Superconducting Tokamak – EAST) riguarda il confinamento del plasma per 102 secondi ad una temperatura di 50 milioni di K che è la metà di quella raggiunta in Germania. E’ una temperatura comunque 3 volte superiore a quella presente nel nucleo solare che è di circa 15 milioni di K.

Mentre la Germania pensa di poter ottenere nei prossimi decenni il confinamento per circa 30 minuti, in Cina il prossimo traguardo sono 1000 secondi (≈17 minuti) ad una temperatura di 100 milioni di K.

Il progetto internazionale di maggiore importanza e attualmente in fase di costruzione in Francia si chiama ITER. I test individuali dei vari paesi confermano le potenzialità della fusione per il futuro del genere umano.

Accumulo di energia elettrica

Il problema principale delle fonti di energia rinnovali consiste nella loro mancanza di una continuità nella produzione. L’incapacità di avere energia disponibile proprio quando serve. Caratteristica fondamentale per la diffusione di una tecnologia.

Quali sono quindi i principali sistemi che possano essere impiegati per immagazzinare energia? Si dividono in due principali categorie. Gravitazionale oppure energia potenziale chimica/inerziale.

Gravitazionali

Idroelettrico. Esistono delle vere e proprie centrali che trasportano acqua tra due bacini posizionati con una differenza di quota. In questo modo si sfrutteranno delle turbine/pompe in grado di portare l’acqua nel bacino più elevato per poi farla riscendere generando energia attraverso le turbine idrauliche. Un esempio concreto è la Centrale Luigi Einaudi a Cuneo.
I vantaggi derivano dallo sfruttamento di energia quando il costo è più basso, e quando andrebbe comunque persa, garantendo i momenti di picco di richiesta durante la giornata.

Relativamente recenti le prove di un sistema americano chiamato ARES  in grado di sfruttare l’energia di fonti rinnovabili per trasportare un treno su per una collina sfruttando un principio del tutto simile alla centrale idroelettrica di prima. L’energia sarà recuperata attraverso i sistemi di frenata quando il treno tornerà indietro.

Chimiche/Inerziali

Significativi sono i passi avanti fatti dalla tecnologia delle batterie chimiche. Con Powerwall della Tesla che guida il settore delle grandi batterie chimiche per le case e le prime auto elettriche. Sebbene le batterie siano dimensionatili in base all’utenza, resta da tenere in considerazione il recupero dei materiali spesso nickel, cobalto, manganese ecc.

Le batterie inerziali adatte soprattutto ai casi dove il limite di peso non è un problema primario. L’applicazione più comune sono i tram che possiedono un volano che immagazzina energia durante le frenate per poi rilasciarla durante la successiva accelerazione. Tecnologia ancora in fase di studio, almeno per le applicazioni più complesse.

Quali altri vi vengono in mente? Scrivetelo nei commenti!

Crollo del prezzo del petrolio

Il petrolio ha raggiunto nelle ultime settimane prezzi talmente bassi che, rispetto ai tempi quando si aggirava costantemente sopra i 100 $, sembra una vera e propria svendita.

Ci sono più elementi che determinano questo andamento:

  • il rallentamento delle economie, in particolare della Cina;
  • le tensioni politiche che vedono l’Arabia Saudita contro altri grandi produttori di petrolio;
  • il crollo del potere d’acquisto generale e la concentrazione della ricchezza.

Se attualmente il prezzo è attorno ai 30$/barile pare che possa scendere anche fino a 10$. Di fatto molto sotto il break-even point di tutti i produttori di petrolio del mondo. Sembra però che l’economia faccia comunque enorme fatica a sfruttare questa vera e propria svendita energetica.

Indubbiamente a questo punto è normale concludere che l’attuale crisi economica iniziata nel 2008 sia fortemente alimentata da aspetti non legati alla semplice concorrenza di mercato.

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Sulla scelta dei pannelli solari

Energia assorbita dalle utenze

Si deve determinare quanta energia è effettivamente necessaria per soddisfare la richiesta di un’abitazione oppure di una piccola azienda. Ogni apparecchio presenza un consumo sotto forma di potenza assorbita espressa in Watt¹. Sapendo per quanto tempo sarà in funzione si possono determinare i kWh (chilowattora)¹ consumati. La somma di tutti questi kWh calcolati per ogni singolo apparecchio determinerà la richiesta energetica dell’abitazione/azienda riferita ad un particolare periodo, in genere un anno ma anche la sola giornata.

E_{richiesta}=  \sum_{k=1}^{n}P_{k}t_{k}

Determinare il numero dei pannelli

La potenza fornita dal Sole per metro quadro dipende dalla latitudine e dalle condizioni climatiche del posto in cui ci si trova. All’incirca per l’Italia si passa in media da 1200 kWh/m² a nord fino a 1500 kWh/m² al sud di energia annua. Dati estrapolati dalla mappa Solargis per l’Europa.

Pannelli_{numero} =  \frac{\left (P_{Sole}\cdot \eta _{pannello}\cdot \eta_{batterie} \right )t_{esposizione}}{E_{necessaria}}

Dove per P(Sole) si intende la radiazione perpendicolare effettivamente utile. Un dato che può essere ottenuto consultando delle mappe online (di solito a pagamento) oppure stimata misurandola in vari momenti della giornata e in stagioni diverse (studi precedenti riferiti all’area in questione).

Stima dei costi

I costi ovviamente dipendono da molti fattori diversi: il tipo di pannello solare; la ditta che si occuperà dell’installazione; il posizionamento dei pannelli per massimizzarne le prestazioni; costi burocratici vari.

Costo_{totale}=pannelli+batt.+install.+manut.-incentivi

Se l’impianto prevede il montaggio di batterie queste avranno un determinato costo e il loro numero dipenderà dall’energia che si decide di accumulare. Al posto delle batterie si può decidere si collegare l’impianto alla rete centralizzata per vendere parte dell’energia. La manutenzione potrebbe essere già inclusa nella garanzia dei pannelli oppure in una polizza assicurativa stipulata per proteggersi in caso di eventi ambientali estremi. Eventuali incentivi da parte dello stato rappresentano invece un alleggerimento dei costi che l’utente deve affrontare.

Determinare la convenienza

Per determinare l’effettiva convenienza si confronta il costo annuo dell’impianto, cioè il costo totale suddiviso per il numero di anni di prevista operatività, con il totale delle bolletta elettrica annua. Se anche il costo del fotovoltaico fosse maggiore si deve tenere presente che il prezzo dell’energia elettrica varia nel tempo. Siccome si prevede che il costo dell’energia salirà nel tempo, è possibile che l’impianto fotovoltaico diventi via via sempre più economico.

Ma oltre alle condizioni economiche, chi sceglie le energie rinnovabili guarda soprattutto all’ambiente e alla sua preservazione per il futuro.


1. I kWh indicano una quantità di energia mentre i kW indicano una potenza (1 kWh = 1 kW * 1 ora)

 

Powerwall, le nuove batterie Tesla per l’accumulo di energia in casa

tesla-powerwall-fotoTesla Energy punta a cambiare il modo in cui viene consumata l’energia. Costruire delle batterie in grado di accumulare energia da fonti rinnovabili o dalla rete tradizionale nei momenti in cui questa viene venduta a basso costo e utilizzarla per rifornire le utenze delle case oppure come sistema d’emergenza in caso di blackout.

Ci sono principalmente due modelli di Powerwall suddivise in base alla capacità di accumulare energia. Ci sono batterie da 7 kWh  ($3000) a cicli giornalieri e batterie da 10 kWh ($3500) a cicli settimanali. In caso di necessità energetiche maggiori si possono montare più batterie fino a 63 kWh per il primo tipo e 90 kWh per le seconde, cioè un totale di 9 batterie. Ciascuna ha le dimensioni 1.3 x 0.86 x 0.18 metri per un peso di circa 100 kg.
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Arriva l’E-diesel prodotto da Audi

Il problema maggiore delle energie rinnovabili è dovuto alla mancanza di sistemi efficienti di stoccaggio dell’energia. Audi e Sunfire propongono un tipo di e-diesel sintetico, chiamato Blue Crude, ottenuto a partire da 3 elementi principali:

  • acqua
  • anidride carbonica
  • energia elettrica

Si parte dall’elettrolisi dell’acqua grazie all’energia ricavata da fonti rinnovabili. In questo modo si ottiene l’idrogeno molecolare (H2). Perché allora non usare direttamente l’idrogeno? Perché i costi di conversione tecnologica del’utilizzatore sarebbero proibitivi e soprattutto l’idrogeno non è il più tranquillo dei gas da caricare a bordo delle auto.

Nel secondo step si genera monossido di carbonio (CO) a partire dall’anidride carbonica (CO2). Nel terzo e ultimo step si fa reagire il monossido di carbonio (CO) con l’idrogeno molecolare (H2) in specifiche condizioni di temperatura e pressione per generare il Blue Crude, un idrocarburo a catena allungata paragonabile al Crude Oil. Continua a leggere

GOCE e l’individuazione di siti adeguati agli impianti geotermici

Il satellite GOCE dell’ESA, operativo dal marzo 2009 fino al novembre del 2013, è stato impiegato nella misurazione delle variazioni presenti nel campo gravitazionale terrestre. I dati raccolti sono stati successivamente utilizzati per lo sviluppo di una mappa dei siti più adatti allo sfruttamento energetico da fonti geotermiche, compito che va al di là dei suoi scopi iniziali.

L’analisi prende in considerazione aspetti come lo spessore della crosta terrestre, le zone di subduzione e zone con recente attività magmatica. Quindi nello sviluppo di questo strumento di indagine preliminare sono stati impiegati dati riguardanti aspetti geologici e dati riguardanti anomalie nel campo gravitazionale combinati ad aspetti topografici del territorio per determinare lo spessore della crosta terrestre.

Essendo uno strumento di analisi preliminare l’individuazione di siti adatti allo sfruttamento energetico dovrà essere confermata attraverso analisi locali più approfondite (quali misurazioni sismologiche). I vantaggi di questo metodo consistono principalmente nella rapida d’analisi e riduzione dei costi globali dei progetti.

Il geotermico è una fonte rinnovabile ma la sua applicazione non è sempre così banale come sembrerebbe. L’acqua necessaria alle turbine per generare elettricità contine sostanze che possono corrodere le parti meccaniche, con notevole aumento dei costi . Oltre a questo l’acqua proveniente dal sottosuolo, dopo il suo utilizzo, dovrà essere adeguatamente depurata prima di essere immessa nell’ambiente. E’ comune trovare in queste acque sporche anche sostanze radioattive o altamente tossiche.

In fondo però nessuna tecnologia è priva di impatto ambientale. Bisogna continuare a perfezionarla per renderà sostenibile nel tempo e non ad impatto nullo qui e ora. Quest’ultimo essendo solo un’utopica aspirazione, certamente giusta.


Fonti:
http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/GOCE_helps_tap_into_sustainable_energy_resources
http://irena.masdar.ac.ae/?map=1046%20

Le batterie del futuro

Gli ultimi 10 anni sono stati interessati da una grande preoccupazione riguardante il settore energetico mondiale. Da un lato per via del raggiungimento nel picco nella produzione petrolifera tradizionale, dall’altro per un aumento della domanda dovuta alle economie emergenti. Un dibattito che si è sviluppato parallelamente all’instabilità politica di molti paesi produttori di idrocarburi e dell’ormai comprovata responsabilità umana nei cambiamenti climatici mondiali.

Ma ormai abbiamo una gamma veramente ampia di fonti energetiche: fossile, idroelettrico, eolico, fotovoltaico, pannelli termici, geotermico, onde di oceani e mari, nucleare. Tutte queste sono in continua evoluzione. C’è però un grande inconveniente che continua a bloccare l’avvento delle tecnologie rinnovabili elettriche. La mancanza di sistemi di stoccaggio e distribuzione flessibili. I serbatoi utilizzati per le fonti fossili sono applicazioni piuttosto semplici rispetto alle batterie. E in pratica sebbene le applicazioni elettriche siano maggiormente modulabili in base al compito da svolgere spesso viene preferita un’applicazione basata sull’energia termica derivata dal fossile. Continua a leggere