Si possono superare gli attuali limiti dell’energia solare? Uno studio condotto dai ricercatori dell’ETH di Zurigo e pubblicato sulla rivista Device pone l’attenzione sulle emissioni derivanti dal calore dei processi industriali, trovando il modo di sfruttare l’energia solare anche ad altissime temperature.
Gli attuali sistemi che convertono l’energia solare mostrano prestazioni scarse e costi elevati quando sono richieste temperature di processo superiori a 1.000°C. Nello studio si mostra invece come attraverso l’effetto della cosiddetta trappola termica, che si ottiene esponendo materiali semitrasparenti alla radiazione solare, si ottiene una nuova tecnologia in grado di ridurre al minimo la perdita di calore e consentire quindi di generare in modo efficiente una temperatura così elevata.
L’impatto dei processi industriali
“Mentre il mondo si concentra sulla decarbonizzazione dell’elettricità e dei trasporti, l’abbattimento delle emissioni derivanti dal calore dei processi industriali – circa la metà del totale – rimane l’elefante nella stanza”, si legge nello studio.
Secondo quanto sostenuto dai ricercatori, la generazione del calore sarebbe responsabile di circa la metà del consumo finale di energia a livello mondiale, molto più dell’elettricità (20%) e dei trasporti (30%). A sua volta, la metà di questa energia, ovvero il 25% del totale, viene dai processi industriali, prevalentemente attraverso combustibili fossili: carbone o gas naturale.
Ad esempio, la produzione di cemento, metalli e diversi prodotti chimici richiede temperature molto elevate, superiori ai mille gradi Celsius. Inoltre, si tratta di produzioni con un grande impatto a livello ambientale: secondo le stime di una ricerca dell’università di Cambridge pubblicata sulla rivista Nature, circa il 7,5% delle attuali emissioni antropiche di anidride carbonica deriva proprio dalla produzione di cemento, mentre la produzione di acciaio contribuisce di almeno il 6%.
Decarbonizzare questi processi industriali sembra dunque fondamentale ma finora l’energia rinnovabile non è stata, come asserisce l’ETH in una nota, un’alternativa perché “sarebbe inefficiente a temperature così elevate”. Questo studio lascia però uno spiraglio per il futuro.
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Cosa può fare (e sta già facendo) l’energia solare
L’energia solare ha infatti un grande potenziale in questo senso, in quanto può essere concentrata e convertita direttamente in forma termica per raggiungere temperature fino a 3.000° C. Tuttavia, gli attuali sistemi che convertono l’energia solare presentano prestazioni scarse e costi elevati quando la temperatura di processo supera i 1.000° C.
D’altronde, tecnologie per la concentrazione dell’energia solare esistono già oggi. Si tratta di grandi impianti che permettono di convertire l’energia solare in energia termica, meccanica e infine elettrica. Se ne trovano già, ad esempio, in Spagna, negli Stati Uniti e in Cina ma generalmente operano a temperature fino a 600 gradi. A temperature più elevate, la perdita di calore per irraggiamento – cioè l’emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a una certa temperatura, con spettro energetico tale da essere rapidamente assorbita da mezzi materiali – aumenta e riduce l’efficienza degli impianti.
Un grande vantaggio della trappola termica dei ricercatori dell’ETH sarebbe invece proprio la capacità di catturare il calore e ridurre al minimo le radiazioni.
Intrappolare la luce solare
La scelta di materiali semi-trasparenti, in particolare il quarzo, è stata la chiave: grazie alle sue proprietà ottiche, caratterizzate da una bassa attenuazione della radiazione visibile e da un forte assorbimento della radiazione infrarossa emessa da superfici calde può assorbire efficacemente la luce solare e convertirla in calore.
Questo porta all’effetto trappola termica, sfruttabile nelle applicazioni del solare termico a concentrazione per ottenere temperature di assorbimento ed efficienze termiche più elevate.
Negli esperimenti di laboratorio, si è utilizzata una barra di quarzo (dal diametro di 7,5 centimetri e lunga 30 centimetri) attaccata a una piastra assorbente opaca che raggiunge i 1.050°C, mentre la faccia anteriore del quarzo rimane a 450°C: la radiazione solare entra dalla parte anteriore, e il calore viene generato dalla parte posteriore.
I ricercatori l’hanno illuminata con luce artificiale con un’intensità 135 volte superiore a quella della luce solare concentrata, raggiungendo temperature fino a 1050 gradi Celsius. Studi precedenti di altri ricercatori avevano raggiunto un massimo di 170 gradi con queste trappole termiche.
Un modello di trasferimento di calore 3D è stato poi applicato per determinare la mappa delle prestazioni dei ricevitori solari che sfruttano l’intrappolamento termico. Si è così dimostrato che questi raggiungono la temperatura target con un’efficienza maggiore.
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