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.

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!

Ruota idraulica. Modellazione CAD con Solidworks passo per passo

Le ruote idrauliche sono meccanismi che permettono di trasformare l’energia potenziale di caduta dell’acqua (oppure cinetica a seconda della configurazione) in energia meccanica. In passato questa energia veniva utilizzata per alimentare ad esempio un macchinario agricolo.

ruota idraulica

Vediamo passo per passo come costruire la ruota, l’elemento centrale dell’assieme.

1) Disegniamo il profilo della nostra ruota. Si scelgano le dimensioni in modo ragionevole in modo che non venga compromessa l’efficienza della ruota. Alcune dimensioni sono riportate nell’immagine sottostante.

CAD ruota idraulica2) Si utilizza il comando Estrusione in rivoluzione per ottenere il solido di rivoluzione del profilo precedentemente scelto.

CAD ruota idraulica 23) Si aggiungono gli elementi interni della ruota. Si può procedere in due modi: Si disegna il profilo di uno degli elementi e si utilizza il comando Ripetizione circolare all’interno dello schizzo prima di fare l’estrusione così come fatto nella figura sottostante oppure si può disegnare completamente uno degli elementi e successivamente utilizzare la funzione Ripetizione circolare dei solidi.

CAD ruota idraulica 34) Si aggiungono gli elementi strutturali della ruota che in questo caso consistono in un elemento a 4 bracci. Successivamente si utilizza la funzione Specchia dei solidi rispetto al piano di simmetria della figura.

CAD ruota idraulica 45) Si aggiunge l’albero della ruota partendo da uno schizzo sul piano di simmetria (in questo caso piano destro) successivamente estruso in entrambe le direzioni (700 mm per lato)

CAD ruota idraulica 5

Si possono eventualmente aggiungere cuscinetti all’albero per ridurre l’attrito. Ruote dentate o catene provvederanno a trasmettere la potenza meccanica all’utilizzatore. Nella variante più moderna potrà essere accoppiata ad un generatore elettrico oltre che fornire potenza meccanica direttamente.

Sole – Sistema Solare

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Classificazione:

  • Classe G2 V – Sequenza principale
  • Colore giallo

Posizione nella Via Lattea:

Il Sole si trova nel Braccio di Orione (Orion Spur) della Via Lattea ad una distanza di 7611 kpc¹ dal centro della galassia.

Dimensioni:

  • Diametro 1.391 x 109 m
  • Volume 1,4122 x 1027 m³
  • Massa 1,9891 x 1030 kg
  • Accelerazione di gravità ≈ 28 G

Temperatura:

  • 5500 °C in superficie
  • 15,5 milioni °C nel nucleo

Fusione nucleare nel nucleo:

Il Sole ricava l’energia dalla fusione di nuclei di H generando nuclei di He. L’energia nella nuova configurazione è minore rispetto alla configurazione nucleare dei due nuclei di idrogeno separati. Fotoni generati nel nucleo per fusione atomica di idrogeno nucleare trasportano l’energia fino alla zona convettiva. Questa è poi trasmessa agli strati più superficiali. L’intero percorso dura più di 1 milione d’anni.

La parte più esterna della stella è composta da 3 strati:

  • fotosfera
  • cromosfera
  • corona

***

1) 1 kpc (kiloparsec) = 3262 anni luce = 3,086 x 1019metri

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

L’avvento delle grandi centrali a pannelli fotovoltaici, Topaz Solar Farm

La Topaz Solar Farm, nel sud della California, è attualmente la più grande centrale elettrica, costruita dalla First Solar, basata su pannelli fotovoltaici costituita da 9 milioni di moduli disposti su 25,6 chilometri quadrati. Ultimata all’inizio di quest’anno prevede l’utilizzo di pannelli a base di tellururo di cadmio (CdTe). La prima centrale ad utilizzare questa tecnologia fu la Waldpolenz Solar Park da 52 MW nell’est della Germania.

La centrale americana mira a poter garantire il fabbisogno energetico di 180.000 case con una notevole riduzione della CO2 per unità di energia prodotta. Nei prossimi due anni l’India sembra intenzionata a rubare il primato con la costruzione di una centrale da 750 MW composta da 3 sezioni ciascuna da 250MW nello stato di Madhya Pradesh. L’India in realtà spera di riuscire a raggiungere entro la metà del prossimo decennio una potenza installata di svariati GW.
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