Made in IBM Labs: una collaborazione punta a sfruttare l’energia di 2.000 soli. Un sistema fotovoltaico-termico ad alta concentrazione, in grado di convertire l’80% dell’energia solare raccolta. Il sistema è in grado di fornire elettricità, acqua dolce e aria fredda in località remote
L’annuncio dirante la giornata della terra
Nella Giornata della Terra gli scienziati hanno annunciato una collaborazione per lo sviluppo di un sistema fotovoltaico economico, in grado di concentrare in media la potenza di 2.000 soli, con un’efficienza capace di raccogliere l’80% della radiazione in arrivo e convertirla in energia utile. Il sistema proposto può essere costruito ovunque vi sia una carenza di energia sostenibile, acqua potabile e aria fredda, a un costo tre volte inferiore rispetto a sistemi equiparabili.
Le immagini del progetto
I sostenitori
Una sovvenzione triennale da 2,4 milioni di dollari (2,25 milioni di franchi svizzeri) della Commissione per la tecnologia e l’innovazione svizzera è stata assegnata agli scienziati di IBM Research; Airlilght Energy, fornitore di tecnologia per l’energia solare; ETH di Zurigo (Cattedra dei vettori energetici rinnovabili) e Università interstatale di scienze applicate di Buchs NTB (Istituto per le micro- e le nanotecnologie MNT), per la ricerca e lo sviluppo di un sistema fotovoltaico-termico ad alta concentrazione (HCPVT) economico. Sulla base di uno studio della European Solar Thermal Electricity Association e di Greenpeace International, basterebbe solo il 2% della superficie del deserto del Sahara per soddisfare il fabbisogno di elettricità mondiale
I sistemi attuali
Sfortunatamente, le tecnologie solari attualmente sul mercato sono troppo lente e costose da produrre, richiedono minerali delle terre rare e non sono abbastanza efficienti da rendere pratici tali impianti giganteschi. Il prototipo del sistema HCPVT utilizza una grande parabola, costituita da numerosi specchi, collegata a un sistema di inseguimento che stabilisce l’angolo migliore sulla base della posizione del sole. Una volta allineato, i raggi del sole si riflettono dallo specchio su diversi ricevitori raffreddati a microcanali liquidi con chip fotovoltaici a tripla giunzione: ciascun chip da 1×1 cm è in grado di convertire, in media, 200-250 watt nell’arco di una tipica giornata di otto ore in una regione soleggiata. L’intero ricevitore combina centinaia di chip e fornisce 25 kilowatt di energia elettrica. I chip fotovoltaici sono montati su strati microstrutturati che convogliano i refrigeranti liquidi entro alcune decine di micrometri dal chip, per assorbire il calore e disperderlo con un’efficacia di 10 volte superiore rispetto al raffreddamento ad aria passivo.
Il video del prototipo
Il raffreddamento
Il refrigerante mantiene i chip quasi alla stessa temperatura per una concentrazione solare di 2.000 volte e può mantenerli a temperature di sicurezza fino a una concentrazione solare di 5.000 volte. La potenza di pompaggio per il raffreddamento si ispira alla ramificazione gerarchica del sistema circolatorio del corpo umano.
“Prevediamo di utilizzare le celle fotovoltaiche a tripla giunzione su un modello raffreddamento a microcanali, in grado di convertire più del 30% della radiazione solare raccolta in energia elettrica e di consentire un recupero efficiente del calore residuo superiore al 50%”, spiega Bruno Michel, manager, advanced thermal packaging in IBM Research. “Riteniamo di poter conseguire questo risultato con una progettazione molto pratica, costituita da innovativi inseguitori in calcestruzzo, ottica principale composta da specchi pneumatici economici e strutture realizzate in calcestruzzo: si tratta di un’innovazione frugale, ma basata su decenni di esperienza negli elementi in calcestruzzo leggero e ad alta resistenza per la costruzione di ponti”.
La concezione del ricevitore multi-chip si basa sui raffreddatori dei processori ad alta potenza, sviluppati in una precedente collaborazione tra IBM e il Centro di ricerca sulle nanotecnologie egiziano.
Una progettazione “elegantemente semplice”
“La progettazione del sistema è elegantemente semplice”, spiega Andrea Pedretti, CTO di Airlight Energy. “Sostituiamo i costosi acciaio e vetro con calcestruzzo più economico e semplici lamine pressurizzate. I piccoli componenti high-tech, in particolare i dispositivi di raffreddamento a microcanali e gli stampi, possono essere prodotti in Svizzera, mentre il resto della costruzione e l’assemblaggio possono essere eseguiti nella regione di installazione. Ciò si traduce in una situazione vantaggiosa per tutte le parti coinvolte, con un sistema competitivo in termini di costi e la creazione di posti di lavoro in entrambe le regioni”.
Gli elementi ottici per la concentrazione solare saranno sviluppati dall’ETH di Zurigo. “Saranno applicate tecniche numeriche di tracciamento dei raggi avanzate per ottimizzare la progettazione della configurazione ottica e raggiungere flussi solari uniformi superiori a 2.000 soli in corrispondenza della superficie della cella fotovoltaica”, spiega Aldo Steinfeld, Professore presso l’ETH di Zurigo.
Con una concentrazione così elevata e una progettazione dal costo drasticamente ridotto, gli scienziati sono convinti di poter ottenere un costo per area di apertura inferiore a 250 dollari per metro quadrato, ossia tre volte meno dei sistemi paragonabili. Il costo dell’energia livellato sarà inferiore a 10 centesimi per chilowattora (kWh). Per confronto, le tariffe incentivanti per l’energia elettrica in Germania sono attualmente ancora superiori a 25 cent per kWh e il costo di produzione nelle centrali elettriche a carbone si aggira sui 5-10 centesimi per kWh.
Dissalazione dell’acqua e raffreddamento dell’aria
Gli attuali sistemi fotovoltaici a concentrazione si limitano a raccogliere l’energia elettrica dissipando poi l’energia termica nell’atmosfera. Con l’approccio del packaging HPCPVT, gli scienziati potranno sia eliminare i problemi di surriscaldamento dei chip solari sia convertire l’energia per la dissalazione termica dell’acqua e il raffreddamento dell’aria.
Per fornire acqua dolce, gli scienziati e gli ingegneri di IBM utilizzano una tecnologia leader mondiale dagli stessi sviluppata per i supercomputer raffreddati ad acqua. Con entrambi i supercomputer Aquasar e SuperMUC, l’acqua viene utilizzata per assorbire il calore dai chip del processore e poi utilizzata per fornire il riscaldamento ambientale.
“La microtecnologia che conosciamo dalla fabbricazione dei chip dei computer è essenziale per consentire un trasferimento termico efficiente dal chip fotovoltaico al liquido di raffreddamento”, spiega André Bernard, a capo dell’istituto MNT presso l’NTB di Buchs. “E servendoci di modi innovativi per fabbricare questi dispositivi di trasferimento del calore, miriamo a una produzione efficiente in termini di costi”.
Nel sistema HCPVT, anziché riscaldare un edificio, l’acqua a 90 gradi Celsius passerà attraverso un sistema di distillazione a membrane porose, dove verrà vaporizzata e dissalata. Tale sistema potrebbe fornire 30-40 litri di acqua potabile per metro quadro di superficie del ricevitore al giorno, continuando a generare elettricità con una resa di oltre il 25% o due chilowattora al giorno. Ciò equivale a poco meno della metà della quantità d’acqua necessaria a una persona media ogni giorno, secondo le Nazioni Unite, ma un grande impianto potrebbe fornire energia sufficiente per una piccola città.
Va notato che il sistema HCPVT può fornire anche il condizionamento dell’aria, mediante una macchina frigorifera ad assorbimento alimentata termicamente. Una macchina frigorifera ad assorbimento è un dispositivo che converte il calore in raffreddamento, attraverso un ciclo termico applicato a un assorbente in gel di silice, ad esempio. Le macchine frigorifera ad assorbimento possono sostituire quelle a compressione, che contengono fluidi di lavoro nocivi, mentre l’acqua elimina ogni impatto sullo strato di ozono.
Le previsioni
Nelle previsioni degli scienziati, il sistema HCPVT fornirà energia sostenibile e acqua dolce in varie parti del mondo, tra cui l’Europa meridionale, l’Africa, la penisola arabica, la zona sud-occidentale del Nord America, il Sud America e l’Australia. Anche le destinazioni turistiche remote rappresentano un mercato interessante, in particolare i resort su piccole isole, come le Maldive, le Seychelles e le Mauritius, dal momento che i sistemi convenzionali richiedono unità separate che devono essere integrate, con conseguente perdita di efficienza e aumento dei costi.
Un prototipo dell’HCPVT è attualmente in fase di test presso il laboratorio di IBM Research di Zurigo, Svizzera. Diversi prototipi del sistema HCPVT saranno costruiti a Biasca e Rüschlikon, in Svizzera, nell’ambito di questa collaborazione.
