Chimica e materiali per le energie rinnovabili (DCM.AD005)

Area progettuale

Dipartimento

Scienze chimiche e tecnologie dei materiali

Il rilievo

Alla Conferenza di Parigi sui cambiamenti climatici, tenutasi nel dicembre 2015 (COP21) si è stabilita la necessità di anticipare il picco delle emissioni globali di gas ad effetto serra prima del 2030 e di ridurre di oltre il 50% tali emissioni entro il 2050. Inoltre, durante la COP21 si è evidenziato come il 60% delle emissioni serra derivi dal settore energetico. È dunque prioritario intervenire su questo settore per mitigare il riscaldamento globale. L'aumento della quota di produzione di energie rinnovabili, il sequestro della CO2 proveniente dalla produzione di energia da fonti fossili e l'efficientamento energetico sono le leve principali su cui fondare l'azione per il contenimento e l'abbattimento dei gas serra e favorire in tutto il mondo una transizione verso economie a basso tenore di carbonio. Per perseguire questi obiettivi, nel corso della COP21, è stata lanciata l'iniziativa internazionale Mission Innovation, che coinvolge molti paesi ed istituzioni con l'obiettivo di stimolare la ricerca e lo sviluppo in questo ambito, e di dimostrare le potenzialità delle nuove tecnologie energetiche per raggiungere la carbon neutrality. Nel 2021, con le stesse finalità, Mission Innovation è stata rilanciata e potenziata come Mission Innovation 2.0. Parallelamente, l'Unione Europea, ha varato il Green Deal, la strategia di sviluppo che ha tra gli obiettivi quello di portare l'Europa ad emissioni zero entro il 2050. Al Green Deal si collega, definendone anche in parte l'azione, il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza, che, con strumenti economici straordinari, supporta interventi di elevata intensità economica per lo sviluppo ed il deployment di sistemi di produzione, stoccaggio e conversione di energia rinnovabile e di risparmio energetico.

Obiettivi

Le tecnologie per la produzione, lo stoccaggio e la conversione di energia rinnovabile, per lo sviluppo dell'idrogeno come vettore energetico, per la cattura e la conversione della CO2 e per l'efficientamento energetico dipendono in maniera critica da processi chimici, sistemi molecolari e materiali. Per tale motivo, queste tematiche sono presenti e risultano pervasive in tutti gli istituti del dipartimento. In piena armonia con quanto definito da Mission Innovation, Green Deal, PNIEC, PNRR e PNR, l'obiettivo delle Area Strategica Energie Rinnovabili è lo studio e lo sviluppo di composti, materiali, tecnologie e dispositivi necessari ad incentivare la diffusione delle rinnovabili, la decarbonizzazione del sistema energetico e migliorare l'efficienza energetica di edifici e processi per il raggiungimento dell'obiettivo fit to 55 - ossia riduzione delle emissioni di CO2 europee del 55% entro il 2030. Queste attività di ricerca del dipartimento sono impostate tenendo conto di vincoli particolarmente rilevanti per le tecnologie energetiche, ed in particolare della limitazione nell'impiego di materiali critici (Critical Raw Materials - CRMs). Ridurre o eliminare il ricorso a materie prime critiche e pericolose è infatti determinante per evitare qualsiasi difficoltà di approvvigionamento (supply chains) e per supportare un processo che porti alla piena autonomia e alla resilienza del sistema energetico e produttivo nazionale ed europeo. Le attività si svolgeranno seguendo quattro principali linee di azione: 1. produzione e conversione di energia (idrogeno, fotovoltaico, biocombustibili, elettrolizzatori, celle a combustibile); 2. accumulo di energia (termica, chimica, elettrochimica) 3. harvesting energetico (energia meccanica e termica), 4. efficientamento energetico (risparmio, sistemi e materiali per l'edilizia).

Il quadro delle ricerche in ambito internazionale

La disponibilità di abbondanti risorse energetiche è un requisito fondamentale per migliorare le condizioni di vita e soddisfare i bisogni fondamentali dell'umanità, ma non può prescindere dalla mitigazione degli effetti ambientali legati all'utilizzo dei sistemi energetici stessi che, se non controllati già adesso, potranno seriamente compromettere la qualità della vita delle generazioni future. Per questi motivi, il panorama energetico globale si sta velocemente convertendo verso l'aumento dell'efficienza energetica e l'utilizzo di fonti primarie di origine rinnovabile, rendendo di fatto l'energia più accessibile e creando, al contempo, opportunità di sviluppo economico in tutto il mondo. Nonostante il dibattito sull'energia sia incentrato soprattutto sulle tecnologie elettriche, circa il 75% del consumo finale nei paesi avanzati è costituito dall'uso di combustibili, impiegati principalmente per il riscaldamento degli edifici e l'alimentazione dei mezzi di trasporto: per tale motivo, la ricerca in ambito internazionale è ormai focalizzata sullo sviluppo di processi di conversione delle fonti rinnovabili per produrre sia elettricità che combustibili/vettori energetici. Nel campo dei combustibili rinnovabili, importante è l'impegno nell'uso efficiente di biomasse non-alimentari (ad esempio biomasse algali) per l'elaborazione di processi di produzione combinata di calore ed elettricità. Nel settore della filiera dell'idrogeno appaiono significativi lo sviluppo di celle a combustibile alimentate con biogas, (bio)alcoli o prodotti della biomassa e la realizzazione di elettrolizzatori per la produzione di idrogeno da acqua o elettroreforming di (bio)alcoli alimentati con elettricità prodotta da fonti rinnovabili. Nel settore fotovoltaico, si segnala lo sviluppo impetuoso di tecnologie di ultima generazione quali le celle a perovskite, capaci di accoppiare ottime prestazioni a costi di produzione decisamente ridotti.

Il quadro delle ricerche in ambito nazionale

La necessità di ampliare e semplificare l'utilizzo di tecnologie energetiche sostenibili pone il Paese di fronte ad una formidabile sfida tecnologica che richiede lo sviluppo di soluzioni innovative, che rendano l'energia prodotta da rinnovabili sempre più competitiva ed efficiente, tracciando nel contempo un percorso realistico e praticabile dal punto di vista economico-sociale. All'interno dello scenario energetico nazionale, le ricerche puntano quindi verso un duplice obiettivo: da un lato perseguire l'ottimizzazione tecnologica per lo sfruttamento di quelle fonti rinnovabili mature, già competitive o prossime ad esserlo (produzione idroelettrica, del settore eolico e, in parte, geotermico), dall'altro promuovere azioni di ricerca e sviluppo volte al raggiungimento della maturità tecnologica per quelle aree che sfruttano tecnologie energetiche innovative non ancora completamente messe a punto o poco diffuse. Tra i vari settori di attività si segnalano: utilizzo di biomasse non-alimentari, adattabili alle condizioni ambientali del nostro Paese, e di tecnologie per la trasformazione della biomassa (gassificazione, pirolisi, etc.) in un combustibile di proprietà superiori mediante processi successivi di purificazione/upgrading; produzione di idrogeno mediante reforming in fase acquosa di biomasse di seconda generazione ligno-cellulosiche a bassa temperatura, strettamente legato anche a processi di cosiddetto "solar reforming"; sviluppo tecnologico di celle a combustibile orientato verso lo studio di soluzioni innovative sia per le PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) con basso o nullo contenuto di platino che per le altre tecnologie (DAFC, SOFC) operanti a bassa-media o alta temperatura; sviluppo di processi innovativi per la conversione di energia solare in elettricità (celle fotovoltaiche DSSC, organiche o a perovskiti) o in idrogeno (celle fotoelettrochimiche, con l'obiettivo di realizzare processi di water splitting).

Il posizonamento del Cnr

Il CNR si trova in posizione strategica nel quadro nazionale e internazionale di sviluppo della chimica e della scienza dei materiali applicati alle energie rinnovabili. Attività di ricerca in tutti i settori sopra menzionati sono attualmente in corso in vari istituti dell'Ente. In particolare, il CNR, soprattutto attraverso il Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologie dei Materiali, è fortemente impegnato nelle attività di Mission Innovation e nelle attività promosse dalla Vice Presidenza del Consiglio per la ricognizione delle tecnologie energetiche che hanno portato allo sviluppo della nuova SEN (Strategia Energetica Nazionale). Partecipa e collabora inoltre con diversi gruppi nazionali e internazionali in progetti finanziati o con collaborazioni scientifiche di alto rilievo.
Per quanto riguarda l'acquisizione di risorse, il CNR è partecipa a vari progetti di ricerca nel campo delle energie rinnovabili, finanziati sia a livello europeo (Societal challenges in H2020, JTI Hydrogen and Fuels Cells) che nazionale (PON, Progetti ministeriali) e di distretti regionali (Toscana, Emilia Romagna e Trentino in particolare). In particolare, va sottolineata la partecipazione al Progetto Premiale MIUR "MATER - MATeriali innovativi e tecnologie efficienti per le Energie Rinnovabili", di cui il CNR è capofila e nell'ambito del quale coordina i contributi di diversi altri enti pubblici di ricerca: AREA Science Park di Trieste, Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS), Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e Centro di Studi e Ricerche "Enrico Fermi" (finanziato con il D. M. 3 maggio 2016 n. 291). Da notare infine anche un buon apporto privato alle attività, che si estrinseca sia nella partecipazione a progetti finanziati da enti di diritto privato quali fondazioni bancarie che nella stipula di contratti con aziende del settore.

Le principali attvità svolte

Le attività in corso di svolgimento nell'ambito delle energie rinnovabili possono essere riassunte classificandole in base ai diversi settori di indagine sopra ricordati. Nel campo dei combustibili solari le attività considerano i diversi meccanismi secondo cui acqua e CO2 possono essere trasformate in combustibili: da elettrolisi di acqua o co-elettrolisi con CO2 utilizzando energia proveniente da rinnovabili, fino alla conversione fotocatalitica. Tali attività sono corredate da studi modellistici ab initio e da tecnologie di caratterizzazione fotochimica, strutturale e meccanicistica di assoluto livello. Ancillari alle precedenti, sono le attività dedicate alle tecnologie di cattura e separazione del biossido di carbonio e di idrogeno dai flussi gassosi, fondamentali per trasformare la CO2 da rifiuto a possibile risorsa. Per i dispositivi fotovoltaici di nuova generazione, si segnalano le attività collegate allo sviluppo di (i) celle fotovoltaiche organiche (OPV); (ii) dye-sensitized solar cells (DSSCs); (iii) perovskiti ibride. Nell'area legata all'economia dell'idrogeno, le attività si focalizzano sulla produzione di catalizzatori per sistemi a bassa temperatura (PEM, DAFC) e di materiali per celle a combustibile ad alta temperatura (SOFC). Nel campo dell'accumulo energetico si annoverano importanti realtà legate ad accumulo termico, mentre nel campo dell'accumulo elettrochimico sono sviluppati sistemi elettrochimici alternativi alle batterie al litio. Inoltre, si segnalano gli studi sul lighting di nuova generazione a basso costo, larga area, flessibile e integrabile in sistemi intelligenti. Nel settore della produzione di biocarburanti, si sta studiando l'uso di biomasse coltivate su terreni marginali e aridi e di scarti di produzione agroalimentare. Notevoli sono anche le competenze sulla produzione di bioidrogeno da parte di batteri estremofili che hanno condotto a brevetti e collaborazioni industriali.

Le attività previste

Le attività di ricerca previste si articoleranno in vari settori diversi. Nel campo del fotovoltaico, si esamineranno nuove architetture e combinazioni di materiali capaci di ridurre le attuali lacune dei dispositivi e di ampliarne il campo di applicazione. Si condurranno inoltre studi di fotonica avanzata, per sviluppare strategie e tecnologie di gestione e concentrazione luminosa da interfacciare con diversi tipi di dispositivi. Nell'ambito del solare a concentrazione si studieranno sia l'introduzione di nuovi materiali assorbitori che lo sviluppo di configurazioni innovative per la ricezione, trasferimento e accumulo di energia termica ad alta temperatura. Nel campo dell'idrogeno si studieranno strategie per produrre H2 usando il surplus di elettricità proveniente da fonti rinnovabili, privilegiando processi quali l'elettroreforming di biomasse non alimentari. Inoltre, si continueranno le ricerche di frontiera dedicate allo splitting fotocatalitico dell'acqua e alla fotosintesi artificiale. Nell'ambito della valorizzazione della CO2, per le tecnologie di carbon capture and storage ci si concentrerà sull'uso di materiali adsorbenti innovativi (solidi e liquidi), sull'approccio biotecnologico per la fissazione in microalghe e sull'impiego di biocatalizzatori. Inoltre, saranno sviluppati nuovi sistemi catalitici in grado di trasformare la CO2 con alta efficienza, selettività, bassi consumi e costi contenuti, in combustibili e composti chimici ad alto valore aggiunto. Relativamente allo sfruttamento delle biomasse, infine, le attività riguarderanno: A) la produzione di biomassa attraverso un'ottimizzazione delle caratteristiche delle specie impiegate; B) l'industrializzazione dei processi di mobilizzazione a livello di filiera; C) l'ottimizzazione dei processi di trasformazione e di utilizzo dei vettori energetici; D) lo sviluppo di ricerche avanzate sui microrganismi utilizzati per la trasformazione delle biomasse.

Area tematica

Scienze chimiche e tecnologie dei materiali

Parole chiave

Fotovoltaico di nuova generazione, Water photosplitting, Valorizzazione biomasse

Progetti

Ultimo aggiornamento: 09/05/2024