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TERMOELETTRICO: CONVERTIRE IL CALORE CORPOREO IN ELETTRICITÀ

E ALTRE APPLICAZIONI PER L’INDUSTRIA 4.0 E IL FOTOVOLTAICO

«Produrre energia elettrica a partire da piccole differenze di temperatura, grazie a dispositivi privi di parti in movimento e quindi altamente affidabili: è la promessa del termoelettrico a stato solido.»

Io sono solito ascoltare podcast di trasmissioni radio o di webradio mentre guido in auto nel tragitto casa-lavoro. Passo in auto circa un’ora e mezza al giorno e mi piace sfruttare quel tempo altrimenti sprecato sentendo qualcosa di interessante, utile o divertente, che siano storie di vita e di persone o approfondimenti dal mondo dell’industria italiana, dell’innovazione e delle ultime ricerche in campo tecnologico.

Qualche mese fa ho ascoltato una puntata della trasmissione Smart City (12 febbraio 2018) condotta da Maurizio Melis su Radio 24 dal titolo “Dalla Bicocca un dispositivo al silicio che trasforma il calore in elettricità”. Il tema di quel giorno era il l’effetto termoelettrico in dispositivi a stato solido, una tecnologia che è impiegata da decenni per alimentare sonde e apparati spaziali, ma solo da pochi anni ne è stata studiata l’applicabilità a sistemi domestici e industriali, investendo in ricerca e sviluppo per abbassarne il costo. Il 12 marzo 2018 viene riproposto lo stesso argomento nella puntata “Rattlers, polimeri-termoelettrici e altri modi sorprendentemente piccoli di produrre elettricità” con un intervista al professore Dario Narducci dell’Università di Milano-Bicocca.

Siccome sono laureato in Biotecnologie proprio alla Bicocca ed il discorso della conversione di una differenza di un qualcosa (ioni, molecole, temperatura) in un potenziale elettrico è un concetto che mi ritrovo a utilizzare quotidianamente in laboratorio nelle sonde degli strumenti di misura, ho pensato che sarebbe stato interessante condividere questa storia.

L’effetto termoelettrico mi ha elettrizzato fin da subito (ho scoperto l’acqua calda probabilmente) perché può essere sfruttato in diverse applicazioni, dalle classiche sonde, a quelle più innovative.

Nelle sonde tradizionali si frutta la differenza di carica elettrica che viene misurata da un elettrodo e “confrontata” con l’elettrodo di riferimento convertendo il potenziale elettrico misurato in un altro valore numerico nell’unità di misura d’interesse.

È il caso ad esempio del pHmetro che misura gli ioni H+ di una soluzione acquosa e converte la loro concentrazione in unità di pH. Nella termocoppia che viene usata nei fornelli della cucina (il dispositivo di sicurezza, che serve a interrompere automaticamente l’erogazione del gas se la fiamma si spegne) si sfrutta proprio l’effetto termoelettrico. Il principio fisico alla base della termocoppia è l’effetto Seebeck secondo cui se un circuito formato da due conduttori di natura differente viene sottoposto a un gradiente di temperatura esso genera una differenza di potenziale. La teoria dell’effetto termoelettrico alla base della termocoppia è ben nota da quasi 2 secoli, l’idea innovativa è quella di applicarla per generare una corrente elettrica utile non tanto per misurare la temperatura o per azionare una semplice valvola, ma per far funzionare un apparecchio. Da strumento di misura diventa fonte di energia di recupero.

IL VANTAGGIO DEL TERMOELETTRICO

Ormai avrai capito che l’effetto termoelettrico in questo caso viene sfruttato per convertire il calore emesso da una sorgente, e che andrebbe altrimenti dissipato, in elettricità utile per alimentare in continuo dei piccoli dispositivi. Seppur concettualmente simile al fotovoltaico, dove la luce solare è convertita in elettricità, questa fonte energetica è limitata nell’uso dalla bassa efficienza, ed è proprio sulla massimizzazione del rendimento che si stanno concentrando gli sforzi del comparto ricerca e sviluppo.

I vantaggi del termoelettrico sono paragonabili a quelli ottenuti da altre fonti rinnovabili, ma con le idee fondanti dell’economia circolare: sfruttare scarti, o fonti già esistenti come il sole, il vento, l’acqua o il calore per ricavarne energia elettrica senza inquinare ulteriormente l’aria, il suolo ed i mari. Pensa ai processi industriali che generano calore (industrie metallurgiche, chimiche, alimentari, del vetro, inceneritori di rifiuti, impianti termici e nucleari, ecc), o alle automobili, o ai condizionatori d’aria, o alle caldaie. Ora immagina di raccogliere quel calore di scarto a bassa-media temperatura tramite dispositivi a stato solido, senza parti in movimento, che durano nel tempo e che fanno funzionare altri piccoli dispositivi elettrici.

LA RICERCA INNOVATIVA DELLA BICOCCA DI MILANO

Il team di ricerca della Bicocca sta sviluppando una nano-tecnologia che non è basata sui materiali termoelettrici tipici, i tellururi di piombo o di bismuto, che sono molto costosi e rari (difficilmente industrializzabili), ma sul silicio opportunamente lavorato (nanofili policristallini). Ad oggi l’efficienza è stata molto migliorata ma è ancora bassa, intorno al 10%, rispetto a quella del fotovoltaico che arriva al 25%. Vuol dire che di tutto il calore – che andrebbe comunque sprecato – solo il 10% viene trasformato in elettricità. Chiaramente non sufficiente per alimentare un macchinario, è comunque sufficiente per alimentare dei sensori wireless integrati in un sistema di internet of things o dell’industria 4.0. Le reti di sensori connessi al dispositivo termoelettrico non utilizzerebbero né batterie né cavi, ma funzionerebbero in modo autonomo, senza preoccupazione, in modo affidabile e duraturo.

Perché è così difficile produrre un dispositivo termoelettrico allo stato solido?

«Il problema è trovare il materiale impossibile: deve avere una ridotta conducibilità termica, un’ottima conducibilità elettrica e un elevato coefficiente Seebeck, tutte cose che sono in contrasto tra loro.»

Infatti di solito i buoni conduttori elettrici sono anche buoni conduttori termici, pensa al rame che è usato per i fili della corrente ma anche per le pentole. Anziché usare i metalli l’idea innovativa di Dario Narducci & Co. è quella di usare polimeri termoelettrici che hanno inoltre il grande vantaggio di essere materiali flessibili, cioè si possono adattare a qualsiasi superficie curva. Notoriamente la plastica è un buon isolante termico (bene) ma non conduce elettricità (male), servono quindi polimeri semiconduttori.

L’APPLICAZIONE NEI DISPOSITIVI BIOMEDICI

Una delle possibili applicazioni, e forse la più affascinante, dell’effetto termoelettrico è nei dispositivi biomedicali. Il corpo umano è una macchina sempre in funzione che produce il calore necessario per mantenere la temperatura attorno ai 36 °C.

«Perché non sfruttare questa piccola sorgente di calore per generare una piccola corrente elettrica utile per alimentare piccoli devices come un apparecchio acustico, un pacemaker, un microinfusore di insulina, dei biosensori

È chiaro che non puoi caricare il tuo smartphone mettendolo sotto l’ascella (ti piacerebbe eh), ma magari oggetti molto più vitali e critici sì, senza dover ricorrere a batterie da sostituire periodicamente.

POTENZIARE LE CELLE FOTOVOLTAICHE CON IL TERMOELETTRICO

Il termoelettrico potrebbe essere integrato anche nella tecnologia ben nota del fotovoltaico che, come già detto, raggiunge un rendimento del 25% a fronte di un massimo teorico del 33%, in base alle leggi della fisica. È ciò che sta sperimentando Bruno Lorenzi, ricercatore della Bicocca che lavora al MIT di Boston. Il problema delle celle fotovoltaiche è che gran parte dell’energia solare che arriva sotto forma di luce infrarossa, a cui il silicio è praticamente trasparente, non viene convertita in energia elettrica, ma dissipata in calore. In più questo calore inutile surriscalda i pannelli peggiorandone ulteriormente le prestazioni.

Una delle possibili soluzioni è accoppiare alla produzione di elettricità a partire dalla luce, soluzioni di generazione termoelettrica. In questo caso oltre a produrre elettricità si riesce a sottrarre calore dal pannello, migliorandone le prestazioni e colmando così quel gap di efficienza dal 25% al 33%. La sfida più grande è trovare materiali fotovoltaici alternativi al silicio che sopportino le alte temperature e nuovi materiali termoelettrici che non incidano negativamente sull’efficienza dei pannelli fotovoltaici.

CHI CI LAVORA IN ITALIA

Non solo l’Università di Milano-Bicocca lavora alla creazione di questi brevetti ma anche il CNR di Bologna e le Università di Modena e di Verona che insieme fanno parte del Consorzio Delta Ti Research per lo sviluppo di una metodologia industriale finalizzata alla produzione di convertitori termoelettrici basati su silicio nanostrutturato, progetto interamente finanziato da ERG.

CONCLUSIONE

Sono stati già creati dei prototipi funzionanti in ambito industriale ma essendo delle novità non esistono ancora produttori e utilizzatori finali. Praticamente è arrivata prima la soluzione rispetto al problema.

«Un po’ come quando fu inventato il laser: inizialmente era solo un giocattolo da laboratorio di fisica o da film Agente 007, ma poi è stato sfruttato per i lettori CD.»

+utile –divertente

BIBLIOGRAFIA

 

 

A cura di Edoardo Vanetti. Revisionato da Luca Malinverno.

 

 

Licenza Creative Commons
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About the Author : Edoardo Vanetti

Microbiologo in cerca dell'antibiotico del secolo. Appassionato di fotografia, design e mountain-bike.

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