Una nuova speranza per la concentrazione dell’energia solare

Il campo dei combustibili solari sta cominciando a prendere piede, e questo potrebbe rappresentare una buona notizia per gli appassionati dell’energia solare a concentrazione. Rispetto ai pannelli solari convenzionali, i sistemi a concentrazione sono molto diffusi, costosi e complicati. Tuttavia, possono fornire calore elevato per produrre combustibile senza l’intervento dell’energia fossile, e ciò potrebbe contribuire ad aumentare la loro visibilità negli Stati Uniti e altrove.

Combustibili solari e connessione all’energia solare concentrata

I combustibili solari sono combustibili sintetici che rientrano nello stesso ombrello generale degli elettrocarburanti, o e-fuel come vengono talvolta chiamati. Il denominatore comune è l’uso di energia rinnovabile per produrre gas idrogeno, che può poi essere combinato con il carbonio catturato per formulare combustibili liquidi.

La differenza è che gli e-fuel possono generare elettricità da qualsiasi risorsa rinnovabile, compresa l’energia eolica, marina e geotermica, nonché quella solare. Anche le centrali nucleari sono state citate come fonte di elettricità a emissioni zero per l’idrogeno nella catena di approvvigionamento dell’e-fuel.

I combustibili solari si riferiscono più specificamente all’elettrolisi alimentata dal sole, alle celle fotoelettrochimiche a “foglia artificiale” e ad altri sistemi che sfruttano l’energia solare, compresi i sistemi di energia solare a concentrazione.

Il Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili del Dipartimento dell’Energia si è concentrato sui sistemi di concentrazione come mezzo per ridurre il costo dei combustibili solari. Un percorso prevede l’elettrolisi ad alta temperatura, che potrebbe fornire una migliore efficienza energetica. Il calore elevato può essere utilizzato anche per la produzione di idrogeno termochimico.

Tagliare il costo dei combustibili solari concentrando l’energia solare

CleanTechnica abbiamo preso atto della connessione dell’energia solare a concentrazione nel 2018, quando abbiamo preso nota di un progetto di ricerca sui combustibili solari presso la Washington State University, in collaborazione con l’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e il Pacific Northwest National Laboratory.

Da allora i ricercatori sui combustibili solari si sono dati da fare. Un esempio recente viene da un team di ingegneri del MIT, che ha ideato un approccio più efficiente alla produzione di idrogeno termochimico solare.

I sistemi termochimici si basano su una versione superveloce, azionata dal vapore, del processo di ruggine che si verifica quando il ferro incontra l’acqua. Questo processo rilascia idrogeno. Dopo essere stato riscaldato nuovamente sotto vuoto, il metallo viene ricostituito ed è pronto per ripetere il processo di ossidazione.

Se sembra inefficiente, lo è. “Solo circa il 7% della luce solare viene utilizzata per produrre idrogeno”, Notizie del MIT segnalato all’inizio di questo mese. “Finora i risultati sono stati a basso rendimento e ad alto costo”.

Bene, quello era allora. Il team del MIT ha ottimizzato il processo per catturare fino al 40% dell’energia solare. Tra le innovazioni c’è un nuovo design che invia un treno di reattori squadrati che viaggiano in circolo attorno alla torre centrale di una centrale solare a concentrazione.

La soluzione per canali e pori

Un altro approccio per migliorare la tecnologia termochimica viene da un team di ingegneri dell’ETH di Zurigo, in Svizzera. Hanno affrontato la sfida di massimizzare il trasferimento di calore dal sistema di energia solare a concentrazione all’interno del reattore.

La loro soluzione sfrutta un sistema di energia solare a concentrazione parabolica per riscaldare un reattore solare fino a 1.500 gradi Celsius. Il reattore contiene una struttura fatta di ossido di cerio, una variante del cerio metallico. L’ossido di cerio è noto per il suo utilizzo nella ceramica e nella produzione del vetro.

La struttura dell’ossido di cerio progettata dal team dell’ETH è descritta come una struttura ceramica porosa, progettata per garantire che il calore proveniente dal sistema di energia solare a concentrazione raggiunga l’interno del reattore con un’interferenza minima.

Il team ha utilizzato una stampante 3D basata sull’estrusione per fabbricare la struttura con canali e pori più larghi in superficie per catturare più luce solare. La stampante ha inoltre utilizzato un inchiostro unico contenente un’alta concentrazione di particelle di ceria per contribuire a potenziare la reazione.

«Particolarmente efficienti si sono rivelate strutture ordinate gerarchicamente con canali e pori aperti sulla superficie esposta alla luce solare e che si restringono verso la parte posteriore del reattore», spiega l’ETH.

Il reattore ETH combina inoltre la scissione dell’acqua con l’anidride carbonica catturata per produrre una combinazione già miscelata di idrogeno e monossido di carbonio, che può poi essere sottoposta a ulteriori passaggi per produrre cherosene liquido per jet.

Una nuova speranza per la concentrazione dell’energia solare

Il team dell’ETH riferisce di aver dimostrato un miglioramento significativo nell’efficienza energetica per la loro struttura stampata in 3D, con la capacità di produrre il doppio della quantità di carburante rispetto alle strutture convenzionali se esposte allo stesso livello di calore.

I prossimi passi spettano alla società Synhelion, nata dalla ricerca dell’ETH e che ha concesso in licenza la tecnologia di stampa 3D. Synhelion ha già predisposto i piani per un impianto dimostrativo su scala dimostrativa di kerosene solare in Germania, integrato con un impianto di energia solare a concentrazione, con Swiss International Air Lines in fila per testare il carburante nei suoi aerei. La costruzione è iniziata circa 12 mesi fa, quindi rimanete sintonizzati per la data di avvio.

Nel frattempo, un altro spin-off, Climeworks, ha concesso in licenza la tecnologia ETH per il suo sistema di cattura diretta del carbonio atmosferico (consulta il nostro archivio Climeworks qui).

Concentrazione dell’energia solare negli Stati Uniti

Nel frattempo, l’energia solare a concentrazione ha goduto del suo momento di gloria, per così dire, quando l’amministrazione Obama ha presentato cinque sistemi di concentrazione di alto profilo come parte dei suoi sforzi per stimolare l’industria solare statunitense.

Le cose si sono calmate dopo che l’ex presidente Trump è entrato in carica nel 2017, ma il Dipartimento dell’Energia ha continuato a promuovere il solare a concentrazione come alternativa agli “impianti di punta” alimentati a gas.

Il Dipartimento dell’Energia ha inoltre continuato a finanziare la ricerca sui sistemi solari a concentrazione ad alta temperatura e altri miglioramenti, compreso il potenziale per aumentare l’efficienza e ridurre i costi utilizzando l’anidride carbonica supercritica.

Nell’ultimo sviluppo, lo scorso febbraio il Dipartimento dell’Energia ha avviato un impianto solare ad alta concentrazione su scala pilota nel Nuovo Messico, volto a dimostrare la capacità di immagazzinare un gigawatt per un’ora.

La struttura di prossima generazione corona un programma di ricerca da 100 milioni di dollari chiamato Generation 3 (Gen3) CSP, lanciato durante – avete indovinato – l’amministrazione Trump, nel 2017. A differenza dei sistemi convenzionali che raggiungono fino a 565 gradi Celsius, Gen3 mira all’obiettivo di 720 gradi Celsius.

Il Sandia National Laboratory è a capo del progetto, che utilizza particelle ceramiche al posto del sale fuso utilizzato nei sistemi convenzionali. Le particelle riscaldate possono essere utilizzate come mezzo di accumulo dell’energia e possono alimentare una turbina ad anidride carbonica supercritica.

“In caso di successo, questo tipo di centrale solare potrebbe fornire 100 megawatt di energia ininterrottamente, 24 ore su 24, a basso costo”, spiega il Dipartimento dell’Energia.

Il Dipartimento dell’Energia prevede che il progetto raggiungerà l’obiettivo di 5 ¢ per kilowattora per l’elettricità più lo stoccaggio da un impianto di energia solare a concentrazione. Lo sapremo presto, visto che l’impianto dovrebbe essere operativo l’anno prossimo.

Dov’è il Congresso?

Naturalmente, nessuna storia sulla concentrazione dell’energia solare sarebbe completa senza una menzione di quanto accaduto alla Camera dei Rappresentanti degli Stati Uniti, dove la maggioranza repubblicana ha finalmente scelto Mike Johnson della Louisiana per ricoprire l’importantissima posizione di Presidente.

Per coincidenza o no, al deputato Johnson viene ampiamente riconosciuto un ruolo importante nel tentativo dell’ex presidente Trump di ribaltare le elezioni del 2020, uno sforzo che ha raggiunto un momento cruciale nella violenta insurrezione del 6 gennaio 2021 (avviso spoiler: no).

I membri repubblicani della Camera e del Senato hanno perso la battaglia per mantenere il presidente eletto Joe Biden fuori dall’incarico il 6 gennaio, ma la lotta per il potere continua mentre continuano a mettere i bastoni tra le ruote alle normali funzioni del governo.

Come dice il proverbio, non è finita finché non è finita…

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Immagine: per gentile concessione dell’ETH di Zurigo tramite Advanced Materials Interfaces, Vol 10,Nr. 30, 2023. https://doi.org/10.1002/admi.202300452). “L’opera d’arte illustra una struttura di ceria stampata in 3D con un’architettura canalizzata gerarchicamente. La radiazione solare concentrata incide sulla struttura graduata e guida la scissione solare della CO₂ in flussi separati di CO e O₂.”