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I più grandi progressi nell'energia pulita nel 2016
L'energia pulita ha fatto passi da gigante nel 2016. Gli accordi di Parigi sul clima è entrato in vigore , il prezzo degli impianti solari ha continuato a cadere , investimenti in energie rinnovabili è salito , l'eolico offshore ha finalmente preso il via negli Stati Uniti e gli scienziati hanno compiuto una serie di progressi tecnici che promettono di rendere l'energia sostenibile sempre più efficiente e conveniente.
Quest'ultimo è fondamentale, poiché l'invenzione è ancora il modo più sicuro per evitare i maggiori impatti dei cambiamenti climatici. Le odierne tecnologie rinnovabili disponibili in commercio non possono soddisfare tutta la domanda energetica mondiale, anche se sono aumentate in modo aggressivo. Secondo un'analisi approfondita del National Renewable Energy Laboratory, gli Stati Uniti mancano di circa il 20% entro il 2050. Nel frattempo, il Gruppo intergovernativo delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici concluso il mondo deve ridurre le emissioni di gas serra fino al 70 per cento entro la metà del secolo e quasi a zero entro il 2100, per avere qualche possibilità di evitare livelli di riscaldamento che potrebbero garantire città che affondano, estinzioni di massa e siccità diffusa.
Quindi abbiamo bisogno di fonti di energia rinnovabile più altamente efficienti, stoccaggio più economico, reti più intelligenti e sistemi efficaci per catturare i gas serra. Ecco alcuni dei progressi scientifici più promettenti del 2016.
Fotosintesi artificiale
Uno dei pezzi mancanti cruciali nel portafoglio delle fonti di energia rinnovabile è un combustibile liquido pulito che può sostituire la benzina e altri combustibili per i trasporti. Una delle possibilità più promettenti è la fotosintesi artificiale, che imita il metodo naturale per convertire la luce solare, l'anidride carbonica e l'acqua in combustibili.
Negli ultimi anni ci sono stati miglioramenti lenti seppur costanti nel campo. Ma questa estate, gli scienziati di Harvard Daniel Nocera e Pamela Silvers, in collaborazione con i loro coautori , ha sviluppato una 'foglia bionica' in grado di catturare e convertire il 10 percento dell'energia della luce solare, un grande passo avanti per il settore. È anche circa 10 volte migliore della fotosintesi della tua pianta media.
I ricercatori utilizzano catalizzatori a base di una lega di cobalto-fosforo per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, quindi impostano batteri appositamente progettati per lavorare assorbendo l'anidride carbonica e l'idrogeno e convertendoli in combustibile liquido.
Negli ultimi mesi anche altri laboratori hanno fatto notevoli passi avanti nell'efficienza e nella durata dei dispositivi a combustibile solare, tra cui il Lawrence Berkeley National Laboratory e il Joint Center for Artificial Photosintesi. Quest'anno quest'ultimo laboratorio ha creato un dispositivo a energia solare che ha convertito l'anidride carbonica in formiato con livelli di efficienza del 10%. Il formiato può essere utilizzato come fonte di energia per celle a combustibile specializzate.
Ma il campo deve ancora affrontare notevoli sfide tecniche, come in precedenza Revisione della tecnologia del MIT storia spiegata, e qualsiasi prodotto commerciale è probabilmente lontano anni.
Solare termofotovoltaico
Questa primavera, un team di ricercatori del MIT segnalato lo sviluppo di un dispositivo solare termofotovoltaico che potrebbe potenzialmente superare i limiti di efficienza teorici del fotovoltaico convenzionale utilizzato nei pannelli solari. Quelle celle solari standard possono assorbire energia solo da una frazione dello spettro cromatico della luce solare, principalmente la luce visiva dal viola al rosso.
Ma gli scienziati del MIT hanno aggiunto un componente intermedio costituito da nanotubi di carbonio e cristalli nanofotonici che insieme funzionano come un imbuto, raccogliendo energia dal sole e concentrandola in una stretta banda di luce.
I nanotubi catturano l'energia attraverso l'intero spettro cromatico, comprese le lunghezze d'onda dell'ultravioletto e dell'infrarosso invisibili, convertendola tutta in energia termica. Quando i cristalli adiacenti si riscaldano fino a temperature elevate, intorno ai 1.000 °C, ritrasmettono l'energia sotto forma di luce, ma solo nella banda che le celle fotovoltaiche possono catturare e convertire.
I ricercatori suggeriscono che una versione ottimizzata della tecnologia potrebbe un giorno superare il limite teorico di circa il 30 percento di efficienza sulle celle solari convenzionali. Almeno in linea di principio, il termofotovoltaico solare potrebbe raggiungere livelli superiori all'80 percento, anche se è molto lontano, secondo gli scienziati. Ma c'è un altro vantaggio fondamentale in questo approccio. Poiché il processo è in definitiva guidato dal calore, potrebbe continuare a funzionare anche quando il sole si nasconde dietro le nuvole, riducendo l'intermittenza che rimane uno degli svantaggi critici dell'energia solare. Se il dispositivo fosse accoppiato con un meccanismo di accumulo termico in grado di funzionare a queste temperature elevate, potrebbe offrire energia solare continua durante il giorno e la notte.
Celle solari in perovskite
Le celle solari in perovskite sono economiche, facili da produrre e molto efficienti nell'assorbire la luce. Un film sottile del materiale, una classe di composti organici e inorganici ibridi con un particolare tipo di struttura cristallina, può catturare tanta luce quanto uno strato relativamente spesso del silicio utilizzato nel fotovoltaico standard.
Una delle sfide critiche, tuttavia, è stata la durabilità. I composti che effettivamente assorbono l'energia solare tendono a degradarsi rapidamente, in particolare in condizioni umide e calde.
Ma i gruppi di ricerca a Stanford, al Los Alamos National Laboratory e al Istituto Federale Svizzero di Tecnologia , tra le altre istituzioni, quest'anno ha compiuto notevoli passi avanti nel miglioramento della stabilità delle celle solari in perovskite, pubblicando importanti documenti in Natura , Energia della natura , e Scienza .
'All'inizio dell'anno, non erano stabili per lunghi periodi di tempo', afferma Ian Sharp, uno scienziato del personale del Lawrence Berkeley National Lab. 'Ma ci sono stati alcuni progressi davvero impressionanti in questo senso. Quest'anno le cose sono diventate davvero serie.'
Nel frattempo, altri ricercatori ci sono riusciti aumentando l'efficienza di celle solari a perovskite e identificare nuovi promettenti percorsi per ulteriori progressi.
Stoccaggio del carbonio
La produzione di elettricità è responsabile della produzione del 30 percento dell'anidride carbonica della nazione, quindi catturare tali emissioni alla fonte è fondamentale per qualsiasi piano di riduzione. Quest'anno sono stati compiuti progressi per diversi approcci emergenti alla cattura del carbonio nelle centrali elettriche, comprese le celle a combustibile a carbonato, così come almeno alcune promettenti implementazioni della tecnologia esistente nel mondo reale. (Anche se, a dire il vero, ce ne sono stati alcuni esempi nettamente negativi anche.)
Ma la maggior parte di questi approcci lascia aperta la questione di cosa fare con le cose dopo che sono state catturate con successo. E non è un piccolo problema. Il mondo produce quasi 40 miliardi di tonnellate di anidride carbonica ogni anno.
Un metodo, tuttavia, sembra più promettente di quanto inizialmente creduto: seppellire l'anidride carbonica e trasformarla in pietra. Dal 2012, Reykjavik Energy's Progetto CarbFix in Islanda ha iniettato anidride carbonica e acqua in profondità nel sottosuolo, dove reagiscono con le rocce basaltiche vulcaniche che abbondano nella regione.
Un'analisi pubblicata in Scienza nel mese di giugno hanno scoperto che il 95 percento dell'anidride carbonica si era mineralizzato in meno di due anni, molto più velocemente delle centinaia di migliaia di anni che molti si aspettavano. Finora, inoltre, non sembra perdere gas serra, il che suggerisce che potrebbe essere sia più economico che più sicuro rispetto agli approcci di sepoltura esistenti.
Ma saranno necessarie ulteriori ricerche per vedere come funziona in altre aree, in particolare anche sotto i fondali oceanici, affermano osservatori esterni.
Anidride carbonica in etanolo
Un'altra opzione promettente per l'anidride carbonica catturata è, essenzialmente, riciclarla in combustibili utilizzabili.
All'inizio di quest'anno, i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti si sono imbattuti in un metodo per convertirlo in etanolo, il carburante liquido già utilizzato come additivo nella benzina. Il team ha sviluppato un catalizzatore a base di carbonio, rame e azoto con una superficie strutturata, che ha concentrato le reazioni elettrochimiche sulla punta dei nanospicchi, secondo uno studio pubblicato su Selezione chimica in ottobre . Quando è stata applicata la tensione, il dispositivo ha convertito una soluzione di anidride carbonica in etanolo con un alto livello di efficienza. I materiali erano anche relativamente economici e il processo funzionava a temperatura ambiente, entrambi vantaggi critici per qualsiasi futura commercializzazione.
Stiamo prendendo l'anidride carbonica, un prodotto di scarto della combustione, e stiamo spingendo indietro quella reazione di combustione, ha affermato l'autore principale Adam Rondinone in un comunicato stampa .
Oltre a convertire l'anidride carbonica catturata, il processo potrebbe essere utilizzato per immagazzinare l'energia in eccesso dalla generazione di elettricità eolica e solare.
Alcuni ricercatori esterni, tuttavia, sono scettici sui risultati iniziali e sono in trepidante attesa di vedere se altri laboratori possono verificare i risultati.