Efficiency_and_Environment_03_2019

117 Efficiency & Environment - Marzo 2019 Speciale Nanotecnologie per l’energia no incrementare le caratteristiche di inerzia termica dei fluidi utilizzati nell’estrazione geotermica. La conversione di energia La conversione delle fonti di energia primaria in elettricità, calore ed energia cinetica richiede la massima efficienza, sia per ragioni economiche sia per ridurre gli impatti ambientali. Tuttavia, maggiori efficienze nelle centrali elettriche richie- dono temperature operative più elevate e quindi materiali, soprattutto per le turbine, più resistenti al calore. Ecco al- lora che la ricopertura delle pale delle turbine con strati di protezione termica e anticorrosiva su scala nanometrica può produrre sensibili miglioramenti dell’efficienza consentendo di operare a temperature più elevate. Il rendimento energetico derivante dalla conversione dell’e- nergia chimica attraverso le celle a combustibile può essere potenziato da elettrodi, catalizzatori e membrane nanostruttu- rati, il che si traduce in possibilità di applicazione economica in automobili, edifici e nel funzionamento dell’elettronica mobile. La conversione dell’energia termoelettrica sembra essere re- lativamente promettente. I semiconduttori nanostrutturati, con progettazione dello strato limite ottimizzato, contribui- scono ad aumentare l’efficienza che potrebbe aprire la strada a un’ampia applicazione nell’utilizzo del calore di scarto, ad esempio nelle automobili, o anche nel calore del corpo uma- no per l’elettronica indossabile nei tessuti. Abbiamo già accennato alle proprietà dei nanofluidi. Recen- ti sviluppi nelle nanotecnologie ne suggeriscono l’impiego in collettori solari ad assorbimento diretto, in cui la conversione dell’energia solare in energia termica del fluido di lavoro può essere più efficace e il rendimento termico maggiore rispetto ai collettori solari tradizionali. Infatti, in questi collettori, la ra- diazione solare è direttamente assorbita dal volume del fluido e non da un particolare rivestimento di una superficie metallica. La distribuzione di energia Per quanto riguarda la riduzione delle perdite di energia nella trasmissione attuale, è possibile pensare che la straordina- ria conduttività elettrica di nanomateriali come i nanotubi di carbonio possa essere utilizzata per l’applicazione nei cavi elettrici e nelle linee elettriche. Inoltre, esistono approcci nanotecnologici per l’ottimizzazione dei materiali supercon- duttori per la conduzione di corrente senza perdita di dati. Sul più lungo termine, ci sono prospettive per il trasporto di energia wireless, ad esempio attraverso laser, microonde o risonanza elettromagnetica. La futura distribuzione di ener- gia richiederà sistemi di alimentazione che forniscano una gestione dinamica del carico e dei guasti, una fornitura di energia basata sulla domanda con meccanismi di prezzi fles- sibili e la possibilità di alimentare attraverso una serie di fonti di energia rinnovabile decentralizzate. Le nanotecnologie possono contribuire in modo decisivo alla realizzazione di questa visione attraverso dispositivi na- no-sensoriali e componenti elettroniche di potenza in grado di far fronte al controllo di tali reti. Lo stoccaggio di energia Le membrane nano-ottimizzate possono estendere l’ambito delle possibilità di separazione e stoccaggio a zero climatico 300 nm di spessore; nella seconda generazione sono state le celle a film sottile a consentire una riduzione dei costi e a introdurre la flessibilità meccanica. Ora, nella terza generazione, sono le nanotecnologie a costituire il fattore innova- tivo: nelle celle a colorante (Dssc, Dye Sensiti- zed Solar Cell) sono le molecole di colorante ad assorbire i fotoni della luce solare e a produrre elettroni che poi vengono trasportati attraverso nanoparticelle di Ossido di Titanio (TiO 2 ). Tut- tavia la lavorazione a temperature elevate ne- cessaria per il titanio non era compatibile con i metodi di fabbricazione a basso costo e l’utilizzo di coloranti di solito impedisce lo sfruttamento solare pancromatico. Le ricerche si sono allora indirizzate verso nuovi materiali e architetture per produrre celle solari adeguate a queste sfi- de. Importanti risultati sono stati ottenuti con il progetto europeo Nanomatcell (Novel envi- ronmentally friendly solution processed nano- materials for panchromatic solar cells). Usan- do nanomateriali abbondanti e/o non tossici, il semiconduttore ha raggiunto un’ottima banda proibita e un coefficiente di assorbimento molto elevato per sfruttare la massima quantità possi- bile di luce solare; sono state sviluppate nuove strategie per la sintesi, la crescita e il drogaggio di nanocristalli, nanofili e perovskiti semicon- duttori. Queste includevano una nuova via ver- so nanocristalli semiconduttori colloidali rispet- tosi dell’ambiente con bande proibite regolate e coefficienti di assorbimento molto elevati. La progettazione dei materiali in perovskite è sta- ta ottimizzata usando materiali con fori e ac- cettatori di elettroni appositamente sviluppati. Sono anche stati sviluppati nuovi coloranti per le lunghezze d’onda corte e per un migliore as- sorbimento nella gamma del vicino infrarosso, al fine di sfruttare una porzione più ampia dello spettro. Sono state sviluppate celle solari a punti quantici colloidali con prestazioni record e foto- stabilità eccezionale. Inoltre, è stata mostrata la prima cella solare PbS QD ad efficienza elevata (9,6%) e altamente fotostabile. Il record di pre- stazioni delle celle solari di perovskite raggiunto (20%) ha posto l’UE tra i leader in questo ambito di ricerca. E le ricerche sono proseguite portan- do a nuovi traguardi grazie all’applicazione del grafene e dei punti quantici e alla combinazione di queste due tecnologie. Altri tipi di energia rinnovabile stanno traen- do beneficio dall’impiego dei nanofluidi, cioè quelle sospensioni di particelle nanometriche in un fluido base che, grazie alle nanoparticelle, acquista eccezionali proprietà di assorbimento ottico. È il caso del solare termico, dove il fluido utilizzato nei collettori solari (tipicamente ac- qua) può essere sostituito con un nanofluido; o anche del geotermico, dove i nanofluidi posso-