Nuove strade per lo stoccaggio di energia solare

Nuove strade per lo stoccaggio di energia solare in forma di legami chimici sono state individuate da un gruppo dei ricercatori del MIT che sono stati in grado di realizzare un nuovo composto chimico grazie all'impiego di nanotubi di carbonio.

Lo stoccaggio dell'energia solare in forma chimica, invece che la sua conversione in elettricità o lo stoccaggio del calore stesso, è un sistema che offre vantaggi particolarmente significativi dal momento che, in linea teorica, i composti chimici possono essere conservati per lunghi periodi di tempo senza che vi sia alcuna perdita di energia. Il principale problema di questo approccio è però rappresentato dal fatto che i composti chimici necessari per questo tipo di processi si degradano dopo pochi cicli di carica/scarica oppure prevedono l'impiego del rutenio che è un elemento raro e costoso.

Lo scorso anno il professor Jeffrey Grossman hanno illustrato come la molecola di fulvalene diruthenium - composo già noto ai ricercatori come miglior mezzo per lo stoccaggio di energia solare, dato che non degrada- sia in grado di rispondere a queste caratteristiche. Secondo Grossman una approfondita comprensione del processo avrebbe consentito di ricercare e ricreare altri composti chimici costituiti da materiali meno costosi e più abbondanti in maniera tale da poter essere utilizzati per il medesimo scopo.

Il professor Grossman, assieme al postdoc Alexie Kolpak, sono stati in grado, impiegando nanotubi di carbonio assieme ad un composto chimico chiamato azobenzene, di realizzare molecole caratterizzate da nuove proprietà che non sono presenti nei due elementi separati. Il nuovo sistema chimico, oltre ad essere meno costoso del precedente contenente rutenio, è caratterizzato da un'elevata densità di energia, comparabile a quelle delle comuni batterie agli ioni di litio. Secondo quanto spiegano i ricercatori è possibile realizzare la nuova molecola controllandone le interazioni, in maniera tale che sia possibile decidere, in maniera indipendente, la quantità di energia che può stoccare ed il periodo di tempo per il quale questa energia può essere conservata.

Il principio su cui si basa la conservazione termochimica di energia solare prevede una molecola la cui struttura cambia quando viene esposta alla luce solare, e resta stabile in questa forma per un tempo indefinito. Quando la molecola viene opportunamente stimolata, mediante un catalizzatore, una variazione di temperatura o un impulso luminoso, torna rapidamente alla struttura originaria liberando l'energia sotto forma di calore.

Il principale vantaggio di questo approccio è la semplificazione dell'intero processo dal momento che la raccolta dell'energia e la sua conservazione vengono combinate in un singolo passo. Il materiale utilizzato, infatti, converte e stocca l'energia in un unico passaggio, senza degradare nel corso del tempo. Si tratta di un processo che, come è già stato illustrato, permette in una fase successiva di liberare energia in forma di calore: saranno pertanto necessari ulteriori processi di conversione - mediante dispositivi termoelettrici o turbine a vapore - nel caso in cui si voglia sfruttare questo approccio per produrre energia elettrica.

L'elemento chiave che consente di controllare lo stoccaggio di energia dal sole è rappresentato dalla barriera energetica che separa i due stati di stabilità che possono essere assunti dalla molecola. La comprensione di questo aspetto si è rivelata fondamentale nel corso delle attività di ricerca sul fulvalene diruthenium per capire l'origine della sua stabilità a lungo termine. Una barriera energetica troppo bassa causerebbe un rapido ritorno della molecola allo stato "non carico", impedendo così lo stoccaggio per prolungati periodi di tempo. Di contro una barriera energetica troppo elevata non consentirebbe un semplice rilascio di energia quando è necessario.

Yosuke Kanai, assistente professore di chimica all'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, ha commentato: "L'idea della conservazione dell'energia solare in legami chimici sta suscitando molte attenzioni. La novità di questo lavoro sta nel modo in cui i ricercatori hanno dimostrato come la densità di energia possa essere aumentata in maniera significativa usando nanotubi di carbonio con strutture su nanoscala".

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