Energia
Distribuire energia pulita, rinnovabile, a basso costo ed in quantità sufficiente per tutti gli abitanti del pianeta è oggigiorno una delle sfide più importanti per l’umanità.
La transizione energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili è ormai un processo inevitabile ed irreversibile. Rimangono tuttavia ancora da affrontare le complessità di questa transizione e occorre cercare nuove strategie per superare gli ostacoli, tecnologici e non, che vi si frappongono. Per rispondere a queste sfide, il ruolo della chimica diventa cruciale per lo studio e per la proposta di nuove soluzioni. Infatti, uno dei principali colli di bottiglia rimane la disponibilità di materie prime per fabbricare i dispositivi adatti a sfruttare le energie rinnovabili. La chimica è regina nella trasformazione e nell’immagazzinamento di energia, attraverso oggetti diventati oggi per noi di uso quotidiano. Attraverso le reazioni chimiche, possiamo guidare la luce e il calore, magari trovando soluzioni che ci permettano di non sciupare l’energia di cui tutti abbiamo bisogno. Le attività sono ad ampio spettro: dalla cattura e valorizzazione dell’anidride carbonica, alla sintesi ed immagazzinamento di idrogeno. Si esplorano e sviluppano nuovi materiali per sfruttare l’energia del sole e per immagazzinare l’energia elettrica in batterie di nuova generazione. Si affronta il problema dello sfruttamento dell’energia termica altrimenti dispersa e si sviluppano nuovi emettitori per l’illuminazione a stato solido.
Linee di ricerca
Le tecnologie di accumulo di energia elettrica si basano generalmente su processi elettrochimici e possono essere raggruppate in due grandi famiglie: le batterie e i supercapacitori (anche noti come superconduttori). Le due famiglie, tra loro complementari, si differenziano principalmente per i meccanismi di carica e scarica e di conseguenza per i materiali studiati.
La cattura della CO2 (stoccaggio e/o riutilizzo) e la sua trasformazione, magari all’interno di un unico ciclo produttivo, come combustibile o prodotto di chimica fine, costituisce una delle azioni indispensabili e necessarie per ridurre la concentrazione ambientale di CO2, attenuando così l’incremento della temperatura prospettato per i prossimi decenni. Inoltre costituisce un punto di partenza a basso costo per la generazione di combustibili che rispondono alla necessità della “carbon neutrality”.
- materiali e processi per la cattura, lo stoccaggio e il riutilizzo di CO₂ (Bonino, Bordiga, Caldera, Gobetto, Magnacca, Minero, Nervi, Quagliotto, Ricchiardi, Sordello, Trotta, Viscardi, Zanetti)
- modellizzazione ( Civalleri)
- materiali e processi per la riduzione di CO2 (Minero, Sordello, Zanetti, Nervi, Gobetto, Bordiga)
- materiali per la cattura e immagazzinamento di CO2 (Bordiga, Crocellà)
Le biomasse si pongono come alternativa sostenibile alle risorse fossili e stanno diventando sempre più importanti come fonte di biocarburanti, prodotti chimici ed energia in generale. I materiali di origine vegetale (legno, piante, rami, alghe marine, rifiuti/scarti/residui organici provenienti per es. dall’industria agroalimentare, dell’allevamento del bestiame e delle attività agricole o forestali), costituiscono infatti una fonte di energia rinnovabile.
La maggior parte dell’energia che utilizziamo sulla Terra ci è fornita dal Sole. Possiamo produrre energia elettrica tramite i pannelli solari fotovoltaici, oppure termica sotto forma di energia termica trasmessa ad un serbatoio di stoccaggio. La conoscenza dei processi chimici, compresi quelli di cattura della luce e di trasferimento del calore, è fondamentale per una buona efficienza per i materiali presenti e futuri.
- Materiali per celle solari emergenti: celle a perovskite (Quagliotto, Viscardi, Barolo, Giamello, Paganini, Chierotti, Maurino), celle solari sensibilizzate a colorante (Martra, Giamello, Barolo, Viscardi, Barbero, Buscaino, Quagliotto)
- Materiali ibridi per la cattura della luce e il trasferimento di energia (Minero, Minella, Martra, Giamello, Paganini, Calza, Bonino, Civalleri, Barolo, Scarano, Spoto, Mino, Vione, Livraghi, Pellegrino)
- Modellizzazione (Ferrari)
- Materiali amorfi e cristallini per applicazioni fotovoltaiche, elettroniche ed optoelettroniche (Benzi, Antoniotti, Marabello, Cesano, Zanetti, Scarano, Barolo)
- Materiali per scambiatori di calore (Bordiga; Rizzi)
L'idrogeno rappresenta il combustibile ideale da molti punti di vista. Infatti, non è tossico e le risorse sono abbondanti ed è un combustibile “pulito” perché non produce emissioni (se utilizzato per esempio in una cella a combustibile) e perché può essere prodotto anche da risorse rinnovabili.
- Materiali e processi per la produzione di idrogeno (Giamello, Livraghi, Magnacca, Minero, Paganini, Nervi, Sordello, Gobetto, Pellegrino)
- Materiali e processi per l’immagazzinamento di idrogeno (M. Baricco, L. Battezzati, Rizzi, Castellero, Scaglione, Palumbo)
- Materiali perovskitici per celle a combustibile (Magnacca, Laurenti)
- Modellizzazione (Palumbo, Civalleri, Corno)
Nel maggio 1884 piazza Carlo Felice venne illuminata con lampadine a incandescenza, il futuro dell’illuminazione oggi è invece lo stato solido (si veda ad esempio il progetto: LED per Torino). L’innovazione nel campo dei materiali ed i processi tecnologici correlati consentono oggi di ridurre i consumi energetici utilizzando sistemi di illuminazione ad alta efficienza in cui è possibile modulare sia la potenza sia lo spettro della luce emessa.
- Materiali organici, bio-organici e metallorganici per Light Emitting Diodes (LED): dai materiali elettroemissivi, ai fotoconvertitori, ai polimeri incapsulanti (Garino, Barolo, Gobetto, Nervi, Volpi, Barbero, Viscardi)
- Materiali organici e metallorganici per light-emitting electrochemical cells LEC (Barolo, Volpi, Garino, Barbero)
I fenomeni di conversione del calore in elettricità e viceversa sono conosciuti in molti materiali, tuttavia nella maggior parte dei casi si tratta di fenomeni trascurabili. I cosiddetti "materiali termoelettrici" sono invece pochi e ben determinati e presentano effetti termoelettrici rilevanti possono essere utilizzati concretamente per sfruttare i princìpi della termoelettricità.
- materiali e processi termoelettrici (Castellero, Maschio)
- materiali termoelettrici polimerici e compositi organo-inorganici (Barolo, Barbero)
- modellizzazione delle proprietà di trasporto dei materiali (Castellero, Maschio, Baricco, Palumbo, Casassa)