Chi utilizza un impianto fotovoltaico conosce bene una delle criticità più comuni: la produzione di energia raggiunge il picco nelle ore centrali della giornata, mentre i consumi aumentano soprattutto la sera. Per colmare questo divario, oggi si ricorre a sistemi di accumulo separati, che comportano costi aggiuntivi e una maggiore complessità dell’impianto.
Una ricerca sviluppata presso la Nanjing Tech University propone un approccio diverso: un dispositivo sperimentale capace di produrre e immagazzinare energia solare nello stesso sistema, senza l’uso di batterie tradizionali esterne.
Cos’è una solar redox flow battery
Il prototipo sviluppato dai ricercatori è definito solar redox flow battery (SRFB). Si tratta di una soluzione che integra una cella solare con una batteria a flusso, una tipologia di accumulo che conserva l’energia all’interno di liquidi elettrolitici anziché in elettrodi solidi.
In una batteria a flusso standard, due soluzioni chimiche differenti circolano attraverso una cella centrale e scambiano elettroni in modo reversibile. Questo meccanismo consente cicli ripetuti di carica e scarica nel tempo. Nel caso del sistema sviluppato a Nanchino, i ricercatori hanno utilizzato una molecola organica chiamata 2,6-DBEAQ su un lato e K4[Fe(CN)6] sull’altro, entrambe disciolte in acqua.
Come funziona il sistema ibrido
La vera innovazione risiede nel modo in cui la luce solare viene trasformata direttamente in energia immagazzinata. Al posto di un pannello fotovoltaico collegato a una batteria esterna, il team ha integrato una fotoelettrodo in silicio amorfo a tripla giunzione direttamente nella batteria a flusso.
Quando la luce colpisce questa struttura multilivello, viene generata una tensione sufficiente a spingere gli elettroni nei liquidi elettrolitici. In questo modo, il sistema si carica automaticamente non appena è esposto alla luce, senza bisogno di una fonte elettrica esterna.
I test condotti in laboratorio
Il dispositivo sperimentale è stato realizzato in scala ridotta. I ricercatori hanno utilizzato piccole sezioni di celle commerciali in silicio amorfo, abbinate a una cella a flusso dotata di elettrodo in feltro di carbonio e di una membrana Nafion per separare i liquidi.
Durante i test di carica, il sistema è stato esposto a una lampada allo xeno calibrata per simulare la luce solare standard di mezzogiorno, pari a circa 100 milliwatt per centimetro quadrato. L’energia necessaria alla carica proveniva esclusivamente dalla luce.
Nella fase di scarica, il dispositivo ha fornito corrente a una densità di 10 milliampere per centimetro quadrato. Il ciclo di carica e scarica è stato ripetuto per oltre quindici cicli, mantenendo una efficienza media di conversione solare-elettrica pari a circa il 4,2%.
Come interpretare l’efficienza del 4,2%
A prima vista, questo valore può sembrare distante dalle prestazioni dei pannelli fotovoltaici tradizionali, che oggi raggiungono mediamente un’efficienza compresa tra il 15% e il 22%. Tuttavia, il confronto diretto non racconta tutta la storia.
Il sistema SRFB svolge contemporaneamente due funzioni:
- conversione della luce solare in energia;
- accumulo dell’energia prodotta.
In dispositivi simili sviluppati in precedenza, l’efficienza si attestava su valori inferiori, spesso compresi tra l’1,7% e il 3%. Il risultato ottenuto dal team di Nanjing Tech rientra quindi tra i migliori finora registrati per questa tipologia di sistemi basati su molecole organiche.
Un altro elemento rilevante è l’ambiente operativo: il dispositivo funziona a pH 12, una condizione alcalina moderata che contribuisce a preservare la stabilità sia del silicio sia delle soluzioni chimiche utilizzate durante cicli ripetuti.
Perché la chimica liquida è un elemento chiave
La molecola 2,6-DBEAQ non è una novità assoluta nel mondo della ricerca. Era già stata studiata in precedenza per batterie a flusso acquose a lunga durata, dimostrando una buona stabilità su migliaia di cicli quando abbinata al ferro-cianuro di potassio.
Questo aspetto è particolarmente importante per applicazioni legate all’energia solare, dove il sistema deve caricarsi e scaricarsi quotidianamente. A livello più ampio, le batterie a flusso organiche sono oggetto di crescente interesse come alternativa potenzialmente più sicura e scalabile rispetto alle soluzioni basate su metalli critici.
Possibili implicazioni per il fotovoltaico
Se in futuro dispositivi di questo tipo dovessero essere scalati a livello industriale, potrebbero semplificare l’architettura di molti impianti fotovoltaici. Un unico sistema in grado di produrre e accumulare energia potrebbe ridurre il numero di componenti necessari, semplificando installazione e manutenzione.
Le batterie a flusso, inoltre, permettono di aumentare la capacità di accumulo semplicemente ampliando i serbatoi di elettrolita, rendendo questa tecnologia potenzialmente interessante anche per applicazioni su scala più ampia.
Uno scenario ancora sperimentale
È importante sottolineare che il progetto è ancora in fase di laboratorio. Il prototipo è di dimensioni ridotte, l’efficienza resta inferiore a quella dei sistemi convenzionali e il numero di cicli testati è limitato. Tuttavia, il dispositivo dimostra in modo concreto che l’integrazione tra produzione e accumulo solare è tecnicamente possibile.
In prospettiva, soluzioni di questo tipo potrebbero contribuire a rendere l’energia solare più continua e gestibile, accompagnando l’evoluzione dei sistemi di accumulo verso modelli sempre più integrati.
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