Nano antenne ed energia solare

In un mondo in cui l'energia che ci alimenta non si sa bene quale direzione stia prendendo, e nel momento in cui il picco petrolifero è diventato l'incubo di molti, ecco che, come dal cilindro d'un prestigiatore, spuntano copiosi studi, progetti avanzati, impianti megalattici, prototipi eccellenti, ipotesi più o meno verosimili... che tentano spasmodicamente di trovare la strada giusta offrendo valide alternative energetiche ai micidiali combustibili fossili.

A tutto ciò, ovviamente, la scienza da il suo enorme contributo ma solo di recente si è aperta una lunga autostrada, della quale soltanto ora abbiamo superato il casello d'entrata: il mondo della nanotecnologia, una tecnologia a livello molecolare che ci potrà permettere di porre ogni atomo dove vogliamo che esso stia. La nanotecnologia è un mondo in cui algoritmi ed elaboratori elettronici sempre più potenti e veloci eseguono in breve tempo miliardi di calcoli, confrontando enormi quantità di dati per scovare connessioni, interazioni... sfruttando le incredibili capacità di microrganismi ingegnerizzati per creare nuovi farmaci, bonificare aree contaminate, produrre cibo ed energia...

Così, se l'altro giorno si parlava, con non poca curiosità, di nano flakes (nano fiocchi), oggi è la volta delle "nanoantennas", cioè nano antenne, un intreccio di milioni di infinitesimali fili di metallo a forma di spirale che formano minuscoli circuiti, grandi 1 / 25 della larghezza di un capello umano, i quali possono essere collocati su molti materiali, tra cui i fogli di plastica. A causa della loro dimensione, queste nanoantennas risuonano dalla interazione con i raggi infrarossi del sole, interazione che, stando alla ricerca effettuata dalla Idaho National Laboratory, la Microcontinuum Inc. (Cambridge, MA) e Patrick Pinhero della University of Missouri, può essere tradotto in energia.

Il Sole irradia un sacco di energia a infrarossi, parte della quale è assorbita dalla Terra che più tardi viene rilasciata come radiazioni nelle ore dopo il tramonto. Ebbene, le nanoantennas possono prelevare l'energia sia da sole, che dal calore della terra, con una maggiore efficienza delle attuali celle solari che riescono a convertire appena il 20% circa di energia elettrica di quanto assorbe. Inoltre, sebbene l'avvento del thin film (film sottile), faccia risparmiare abbastanza sul materiale, in quanto halo spessore cento volte minore, per produrre il silicio occorre una barca di energia, mentre questi nuovi collettori solari possono essere costruiti con molto meno.

Tuttavia... allo stato attuale non tutto riluccica come dovrebbe. Rimane un grande ostacolo da superare. Le nanoantennas sono facili da fabbricare ma una parte cruciale del processo deve ancora essere sviluppato: creare cioè, un modo di memorizzare o trasmettere energia elettrica. E anche se i raggi infrarossi creano corrente alternata nella nano antenna, la frequenza della corrente oscilla 10 mila miliardi di volte al secondo, rendendola, ad esempio, troppo veloce per gli elettrodomestici che operano con correnti che oscillano attorno alle 60 volte al secondo.

Perciò, il team della Idaho National Laboratory sta esaminando le possibilità per poter uscire da questa impasse. A questo punto, dice l'ingegnere Dale Kotter, queste antenne sono valide nel catturare l'energia, ma non lo sono altrettanto nel riconvertirla. Ma abbiamo ancora una ricerca esplorativa molto promettente in corso.

Nell'immagine sopra il ricercatore Steven Novack in possesso di un foglio di plastica nanoantenna, in cui ogni quadrato contiene circa 260 milioni di antenne.

Fonte: www.inl.gov/

Film sottile: l'Italia c'è

Nonostante il gap abissale che lo distanzia dalle fonti fossili, il mondo del solare fotovoltaico sembra aver imboccato la strada giusta che lo porterà, un giorno neanche poi tanto lontano, a sostituire gran parte delle odierne strutture energetiche fossili.

Dal 1990 al 2005 sono stati installati poco più di 10 MW. Con l'avvio del Conto energia, si stima che in Italia nel 2007 verranno installati da 80 a 120 MW.

Il 90% dei moduli sul mercato sono prodotti attraverso la consolidata tecnica del silicio mono e policristallino. La parte restante viene coperta quasi per intero dalla tecnologia a "film sottile" di silicio amorfo e silicio policristallino. Tuttavia, sembra che il mondo del fotovoltaico si stia lasciando alle spalle la tecnologia al silicio, troppo onerosa da produrre, e nel nostro Paese i dati lo vanno confermando.

Il silicio non è infatti una sostanza adatta all'implementazione come film sottile, sia per la difficoltà di lavorazione (necessita di alte temperature e alto vuoto), sia per le caratteristiche fisiche del semiconduttore. Senza ricorrere a dispositivi raffinati, come quelli multigiunzione,il cui costo di produzione è alto, i moduli fotovoltaici a film sottile di silicio si sono dimostrati poveri in efficienza e poco stabili. Le tecnologie a film sottile per la fabbricazione di moduli fotovoltaici hanno però l'indubbio vantaggio di prestarsi a produzioni su larga scala, in cui il pannello rappresenta lo stato finale di processi in linea e non l'assemblaggio di celle di minor dimensioni come nel caso dei moduli basati sui wafer di silicio cristallino. I più elevati tassi di produzione (in termini di metri quadri di moduli nell'unità di tempo), insieme alle piccole quantità di materiale attivo necessarie, lasciano prevedere che in futuro a competere con le fonti tradizionali ci saranno proprio questo tipo di moduli. Negli ultimi anni sono stati quindi introdotti e studiati altri materiali per costituire la giunzione fotovoltaica sotto forma di film sottile e tra questi i più promettenti risultano essere il cosidetto CIS (diseleniuro di Indio e Rame) e il CdTe (Telloruro di Cadmio).

Questi due tipi di celle sono stati studiati molto bene negli ultimi vent'anni dal gruppo di ricerca del professore Nicola Romeo del Dipartimento di Fisica dell'Università di Parma, in particolare nell'ambito di alcuni progetti finanziati dall'Unione Europea.

Gli scienziati hanno messo a punto un'innovativa tecnica di produzione di celle a film sottile di telloruro di cadmio ad alta efficienza, realizzate tramite un processo produttivo a basso costo. Trattasi di celle con un'efficienza di oltre il 15%, con un processo di produzione che ne consente una completa e facile riproducibilità. Già dallo scorso autunno sono stati definiti i partner industriali per la realizzazione di un impianto produttivo da 15 MW/ anno attraverso una nuova società che avrà il compito di realizzare e commercializzare i pannelli fotovoltaici di nuova generazione.

Il primo stabilimento produttivo entrerà in funzione entro 2 anni e subito dopo le celle saranno disponibili sul mercato.

Fotovoltaico: il film sottile

La nuova tecnologia sul fotovoltaico si chiama "film sottile". Essa è formata da una pellicola trasparente a base di telloruro di cadmio, racchiusa fra due lastre di vetro, che cattura i raggi del sole producendo elettricità.

Rispetto alle celle fotovoltaiche al silicio, il film sottile costa molto meno ed ha una capacità di assorbimento dell'energia solare pari al 12%, contro l'8% dei pannelli tradizionali.

Non molto, ma avanti così si migliorerà ulteriormente.

Questa tecnologia garantisce buone performances pur in presenza di tempo nuvoloso e per elevate temperature dei moduli.

Uno dei più grandi impianti al mondo dove si è deciso di usare celle in film sottile (CdTe) si trova a Meiring, in Germania, dove la Epuron, azienda leader nelle energie rinnovabili ha installato 28.500 moduli di First Solar pari a 1,78 MW su un'area di oltre 6 ettari. L'impianto, costato 7 milioni di euro, è sufficiente al fabbisogno di circa 500 famiglie, con un risparmio sulle emissioni inquinanti pari a 1450 milioni di tonnellate di CO2 l'anno.

In Italia, è stato sperimentato un brevetto dell'Universita' di Parma, che ne ha migliorato ulteriormente l'efficienza e ridotto i costi. I pannelli sono stati sperimentati nei paesi mediterranei del Maghreb e del Medio Oriente. Quindi, e' stata avviata la produzione industriale, affidata alla lombarda Marcegaglia Energy.

Secondo uno studio del NIEHS (National Institute of Environmental Health Sciences) il cadmio, un metallo presente nel cibo, nell'acqua e nelle sigarette, distrugge il sistema di riparazione delle cellule fondamentale per prevenire il cancro. Il metallo, usato sopratutto per fare batterie, e' un noto cancerogeno e causa cancro ai polmoni nelle industrie che lo usano quando non vengono adottate adeguate protezioni.

Dice Wikipedia, a proposito del cadmio: Circa tre quarti della quantità di cadmio prodotta vengono usati nelle pile al nichel-cadmio, mentre il quarto rimanente è principalmente usato per produrre pigmenti, rivestimenti e stabilizzanti per materie plastiche.

Scrive Stefano - in un commento del post il film sottile: il cadmio è altamente tossico e rappresenta un problema sia in fase di lavorazione che di smantellamento, oltre alla (remota) possibilità di rilascio durante l'esercizio.

Risponde Luca - La tossicità del Cadmio è un problema reale, ma nei moduli al CdTe tale metallo si trova confinato e sotto forma di composti molti stabili (il telloruro appunto). Durante la lavorazione i rischi di diffusione di cadmio nell'ambiente sono ben controllabili e sono previsti piani di riciclo dei moduli che tra l'altro sono economicamente interessanti visto che il Tellurio è un metallo abbastanza raro e costoso.

Poi c'è Vil, che si lamenta che questi pannelli di terza generazione non sono ancora in produzione ne in commercio.

Avvalendomi d'Internet oltre che di riviste specializzate, cerchiamo allora di capirne di più su questa tecnologia.

Il film sottile oggi copre una fetta di mercato assai inferiore rispetto a quella del silicio cristallino, anche perchè la produzione su scala industriale è insufficiente. Questo impedisce d'altronde gli studi sistematici sull'impatto ambientale della tecnologia, oltre ad una mancanza di un database completo, come nel caso della tecnologia cristallina. Solo quando la tecnologia in film sottile inizierà a guadagnare quote di mercato significative, si potrà dire che questa lacuna verrà colmata.

Uno degli studi più approfonditi sull'argomento riguarda i moduli in CdTe (tellururo di cadmio) sviluppati dall'azienda americana First Solar.

Il Telloruro di cadmio, nel caso dei moduli in film sottile, nella sua forma metallica risulta essere una sostanza tossica che ha tendenza ad accumularsi nella catena alimentare, anche se il composto CdTe è da considerare più stabile di altri composti contenenti cadmio e non è solubile in acqua.

Tuttavia, nel caso dei moduli rotti, la dispersione ambientale di Cadmio si può considerare bassa. Inoltre, l'utilizzo di cadmio nei moduli fotovoltaici è piccolo (5-10 gr x m2) e il materiale è completamente incapsulato nei moduli.

Anche il rischio che il cadmio venga emesso in seguito a un incendio è limitata se si utilizza un incapsulamento a doppio vetro. Le emissioni di cadmio durante le fasi di produzione delle celle sono molte basse e quindi si può concludere che l'utilizzo nel fotovoltaico rappresenta un'ottima modalità di sequestro di questo elemento, che è un'inevitabile sottoprodotto nella produzione di zinco. First Solar attua già il ritiro dei moduli in CdTe usati e una linea pilota di riciclaggio ha dato dei risultati molto promettenti.

Difatti da indicatori per la tecnologia CdTe vengono confrontate le emissioni di Cadmio per diverse tecnologie e le emissioni dirette di Cadmio della tecnologia CdTe sono minime, in realtà questo elemento viene disperso nell'ambiente a causa dell'inquinamento prodotto nella produzione di elettricità da olio combustibile e carbone utilizzata per realizzare i moduli.

Come vengono riciclati i moduli - Nell'analisi dell'impatto sull'ambiente del fotovoltaico c'è tuttavia da considerare anche la fine del ciclo di vita dei materiali. Oggi il problema è relativo perchè le installazioni fotovoltaiche giunte alla fine del loro ciclo sono ancora poche ma, secondo alcune stime, nel 2040 si prevedono 33.5000 tonnellate di moduli usati contro le 290 tonnellate del 2010... Le installazioni fotovoltaiche sono considerati e-waste, rifiuti elettronici e tuttora non esiste una direttiva europea per lo smaltimento del fotovoltaico. In Europa è nata di recente una fondazione non profit dal nome PV Cycle, la quale si propone di realizzare un sistema certificato di raccolta, riparazione, riuso e riciclo dei dispositivi fotovoltaici usati.

Fonte: il professor €chos.com

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