2025-02-20
Sotto il sole cocente del deserto del Sahara, nel momento in cui i pannelli fotovoltaici convertono la luce solare in elettricità, gli esseri umani hanno completato una magia di forma energetica. Ma la natura irregolare del sorgere e del tramontare del sole a est e nelle nuvole rende l'accumulo di energia un campo di battaglia chiave nella rivoluzione dell'energia pulita. Dalle torri di sale fuso del Gobi di Dunhuang al Powerwall di Tesla, le innovazioni nella scienza dei materiali stanno rimodellando i confini dell'accumulo di energia: sostanze speciali che non solo catturano la luce solare, ma la trasformano anche in una risorsa distribuibile.
Gli esseri umani si resero conto del potere dell'energia solare nel III secolo a.C., quando il castello di Siracusa utilizzò uno specchio per focalizzare i raggi solari e accendere la flotta romana. I moderni materiali di accumulo di calore continuano questa saggezza originale e raggiungono l'accumulo di energia attraverso cambiamenti di forma fisica.
La caratteristica della paraffina che si scioglie a 58 °C la rende il mezzo di accumulo di calore a cambiamento di fase più economico. Il sistema fotovoltaico sul tetto dell'aeroporto internazionale di Pechino Daxing incapsula 300 tonnellate di paraffina modificata in una struttura in alluminio a nido d'ape per assorbire il calore di scarto dei pannelli fotovoltaici durante il giorno e rilasciare energia di notte per mantenere la temperatura dell'edificio del terminal, riducendo il consumo di energia dell'aria condizionata del 40% all'anno. Materiali compositi di sale eutettico più avanzati (come nitrato di litio-nitrato di potassio) possono aumentare la temperatura di accumulo del calore a 565 °C e la centrale elettrica fototermica di Crescent Sand Dune degli Stati Uniti utilizza questo materiale per ottenere 17 ore di alimentazione continua.
La densità di accumulo di calore di massa del sale fuso a 565℃ è di 780MJ/m³, che è 12 volte quella dell'acqua. La centrale elettrica fototermica a torre Delingha da 50MW nel Qinghai utilizza 28,000 tonnellate di nitrati binari (60% nitrato di sodio +40% nitrato di potassio) per convertire la luce solare durante il giorno in energia di turbina a vapore durante la notte. Il sistema di sale fuso di cloruro di recente sviluppo (come MgCl₂/KCl) aumenta la temperatura di esercizio a 800 °C e aumenta l'efficienza di accumulo di calore del 25%.
L'ossido di cobalto (Co₃O₄) ha reagito in modo reversibile a 800 °C. Co₃O₄ ↔ 3CoO + ½O₂. La densità di accumulo di calore ₃ era di 1500 kJ per kg, che era 3 volte quella del sale fuso. L'unità sperimentale, costruita dal Centro aerospaziale tedesco, utilizza 20 tonnellate di ossido di metallo per immagazzinare calore attraverso le stagioni, rilasciando il calore solare immagazzinato in estate in inverno.
Quando i pannelli fotovoltaici convertono i fotoni in elettroni, come si fa a far fluire queste particelle microscopiche in modo ordinato quando necessario? I materiali delle batterie costituiscono il sistema finanziario del moderno sistema energetico.
Il litio ferro fosfato (LiFePO₄) è il re dell'accumulo di energia domestica con i suoi 2000 cicli di vita. Il sistema di accumulo di energia Megapack di Tesla utilizza questo materiale per costruire una centrale elettrica da 300 MWh in grado di alimentare 60,000 case per un'ora. Il terpolimero nichel-cobalto-manganese (NCM811), con una densità energetica di 280 Wh/kg, sta riscrivendo le regole della resistenza dei veicoli elettrici.
La batteria a flusso interamente al vanadio utilizza soluzioni di ioni di vanadio di diversi stati di valenza come elettrolita e il sistema da 3 MW sviluppato dal team della Tsinghua University raggiunge l'80% di efficienza energetica, attenuando le fluttuazioni della rete elettrica nella base di stoccaggio di Zhangjiakou Fengguang. Batterie a flusso di fluido ferro-cromo più economiche, che utilizzano coppie di potenza Fe² + Fe³ + e Cr² + /Cr³ +, la società statunitense ESS ha costruito una centrale elettrica di accumulo di energia di classe 100 MWh.
L'elettrolita solido solfuro (ad esempio Li₆PS₅Cl) ha spinto la densità energetica della batteria a 500 Wh/kg. Toyota ₆ ha puntato a produrre in serie un veicolo elettrico contenente questa batteria nel 2027. L'elettrolita a materia condensata sviluppato dalla cinese Ningde Times ha risolto il problema della sicurezza dell'accumulo di energia mantenendo 100 °C senza prendere fuoco durante gli esperimenti di agopuntura.
Convertire l'energia solare in molecole chimiche trasportabili è il sogno ultimo dell'umanità di uscire dalla rete. I materiali fotocatalitici stanno rendendo questo sogno realtà.
Il biossido di titanio (TiO₂) ha dato inizio all'era della fotocatalisi nel 1972, ma la sua capacità di utilizzare solo la luce ultravioletta ha dato origine a una nuova generazione di catalizzatori. Composito di nitruro di carbonio (C₃N₄) sviluppato presso l'Università di Tokyo, Giappone. L'efficienza di produzione di idrogeno ha raggiunto l'8.2% sotto luce visibile. Il team australiano ha utilizzato nanofili di fosfuro di cobalto per aumentare l'efficienza al 16%, che è vicino alla soglia di commercializzazione.
I materiali metal-organic framework (MOF) mostrano un potenziale sorprendente nella fotosintesi artificiale. Il materiale Zn-Zr MOF di Caltech ha una selettività del 90% nella conversione di CO₂ in metanolo sotto luce solare simulata, con un tasso di conversione di 5mmol/g all'ora. Il catalizzatore a base di rame sviluppato dal team della Chinese Academy of Sciences ha ottenuto una produzione continua di combustibile solare in un reattore su scala industriale.
Il catalizzatore al rutenio riduce la temperatura della sintesi dell'ammoniaca del processo Haber da 500℃ a 350℃, il che è perfettamente abbinato al sistema termochimico solare. L'impianto di sintesi dell'ammoniaca fototermica nella NEOM Smart City, in Arabia Saudita, produce direttamente fertilizzante azotato a zero emissioni di carbonio con la luce solare, riducendo di 4.6 tonnellate di CO₂ per tonnellata di prodotto.
In prima linea nei laboratori, i nuovi materiali stanno infrangendo i limiti della fisica classica e aprendo nuove dimensioni all'accumulo di energia.
Le insolite caratteristiche di trasporto del calore del seleniuro di bismuto (Bi₂Se₃) hanno fatto sì che la densità di accumulo del calore fosse 5 volte superiore a quella dei materiali tradizionali. Il Massachusetts Institute of Technology ha realizzato microcapsule di accumulo di calore utilizzando questo materiale, che possono immagazzinare il calore di una stufa solare in uno spazio di 1 cm³ per tre ore.
I derivati dell'azobenzene sviluppati dall'Istituto federale svizzero di tecnologia subiscono una trasformazione della configurazione molecolare sotto la luce ultravioletta, immagazzinano energia fino a 1.2 MJ/kg e la rilasciano in modo reversibile quando stimolati dalla luce visibile. L'applicazione di questa "molla molecolare" nei materiali da costruzione può far sì che la parete esterna della casa diventi un serbatoio di calore autoregolante giorno e notte.
I punti quantici di solfuro di piombo e gli elettrodi compositi di grafene raggiungono un'efficienza di carica e scarica del 99% nei dispositivi integrati di accumulo di energia fotovoltaica. Il prototipo del laboratorio NREL negli Stati Uniti si carica completamente in 5 minuti con luce standard e ha un ciclo di vita di oltre 100,000 volte.
Il lato oscuro della rivoluzione materiale: sfide e innovazioni
Accanto alla centrale fotovoltaica di Dunhuang, decine di migliaia di tonnellate di pannelli fotovoltaici dismessi si accumulano in colline argentate, rivelando la brutale realtà del ciclo dei materiali. Il costo di recupero dell'argento e del piombo nei componenti in silicio cristallino è tre volte il valore del materiale e il rischio di perdite di piombo nelle batterie perovskite non è stato completamente risolto. La tecnologia di decomposizione al plasma sviluppata dalla European Union Photovoltaic Recycling Alliance può aumentare il tasso di recupero dei materiali dei moduli al 97%, ma il costo di lavorazione è ancora alto come 0.3 euro/kg.
La discrepanza tra il ciclo di sviluppo di nuovi materiali e la velocità della transizione energetica è ancora più complicata. Dal laboratorio alla commercializzazione, le batterie allo stato solido hanno impiegato 30 anni e l'obiettivo globale della neutralità carbonica è a soli 26 anni di distanza. Il Materials Genome Project del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti utilizza l'intelligenza artificiale per selezionare i materiali candidati, riducendo il ciclo di ricerca e sviluppo del 70% e ha scoperto 12 nuovi materiali per l'immagazzinamento dell'idrogeno.
Quando le stazioni di ricerca in Antartide utilizzano materiali a cambiamento di fase per immagazzinare la luce solare durante i giorni polari durante le lunghe notti invernali, e i villaggi africani utilizzano batterie a flusso di ferro-cromo per immagazzinare energia fotovoltaica per alimentare apparecchiature mediche, i materiali di accumulo solare stanno rimodellando il panorama energetico della civiltà umana. Questo non è solo il progresso della tecnologia, ma anche la ri-comprensione della natura dell'energia, dalla ricerca di esplosioni di energia istantanee, alla costruzione della libertà spazio-temporale della rete energetica. Forse un giorno non immagazzineremo più l'energia solare stessa, ma l'intero mondo materiale in un vettore energetico programmabile, e allora gli esseri umani comprenderanno veramente la potenza del sole.
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