In meno di otto ore, abbastanza luce solare colpisce la Terra per soddisfare tutte le esigenze energetiche dell'umanità per un anno.

Secondo una ricerca pubblicata dall'Agenzia Internazionale per l'Energia, il mondo ha consumato 18,3 terawatt anno (TWy) di energia nel 2014. Occorrono solo otto ore di luce solare per essere in grado di produrre 21 TWy di energia solare. E il costo di produzione è diminuito drasticamente negli ultimi anni.

Allora perché non lo usiamo per alimentare l'intero pianeta?

Il problema principale è lo stoccaggio. Il sole non splende di notte, quindi l'energia deve essere immagazzinata fino a quando le persone non hanno bisogno di usarla.

Poiché il costo di produzione dell'energia è diminuito - uno studio del Lawrence Berkeley National Lab del 2016 ha mostrato che i costi dei progetti solari negli Stati Uniti sono diminuiti di due terzi dal 2009 - la domanda è aumentata. Come risposta, le utility hanno installato una tecnologia solare due volte e mezzo superiore rispetto ai consumatori residenziali e commerciali messi insieme.

Le nostre attuali opzioni di archiviazione non possono tenere il passo.

Gli array solari su larga scala richiedono un grande spazio di archiviazione. In Australia, Tesla ha recentemente installato un enorme array di batterie agli ioni di litio per immagazzinare energia rinnovabile, ma il litio non è una risorsa illimitata, e le batterie non sono l'ideale per tutte le situazioni:molti abitanti dell'Alberta sanno che le batterie agli ioni di litio dei loro telefoni non amano il freddo. Se abbiamo intenzione di spostare il mondo intero verso fonti come il solare e altre rinnovabili, abbiamo bisogno di più modi per immagazzinare il potere.

Quando l'iniziativa di ricerca Future Energy Systems dell'Università dell'Alberta da 75 milioni di dollari è stata lanciata alla fine del 2016, affrontare questo problema era una priorità assoluta.

Tra gli scienziati che ricevono finanziamenti dall'iniziativa c'è il chimico Steve Bergens. Sta lavorando a un'alternativa su scala industriale che trarrebbe vantaggio dall'infrastruttura esistente e risparmierebbe batterie chimiche per usi su scala ridotta.

"L'anidride carbonica e l'acqua sono ovunque, " ha spiegato. "Possiamo combinarli con la luce solare e immagazzinare l'energia solare come combustibile".

Immagazzinare l'energia solare nei combustibili sintetici

"I combustibili si trovano naturalmente, quindi alcune persone potrebbero non considerarli una tecnologia di archiviazione, " ha spiegato Bergens. "Ma come le batterie, i combustibili ci consentono di trasportare l'energia immagazzinata ovunque ne abbiamo bisogno e di accedervi ogni volta che vogliamo".

I combustibili più comuni di oggi sono gli idrocarburi come il gas naturale. Quando quegli idrocarburi vengono bruciati, il carbonio viene rilasciato nell'atmosfera sotto forma di gas serra CO2. Per evitare CO2, potremmo adattare il nostro intero sistema energetico per bruciare idrogeno puro, ma Bergens pensa che la proposta non sia realistica a breve termine.

"Abbiamo speso decenni e molti soldi per costruire un sistema che funziona con gli idrocarburi, quindi non è ragionevole aspettarsi che tutto cambi in una volta, " ha detto. "E se invece di rilasciare anidride carbonica nell'atmosfera, la catturiamo e la combiniamo con l'acqua e l'energia solare per produrre idrocarburi riutilizzabili?"

Bergens abbozza il processo chimico sulla lavagna del suo ufficio:"Quando viene bruciato, il gas naturale e l'ossigeno dell'aria formano l'acqua, anidride carbonica ed energia”.

Teoricamente, quel processo potrebbe essere invertito:la luce solare potrebbe essere applicata all'acqua e all'anidride carbonica, creando gas naturale sintetico con ossigeno puro come sottoprodotto. Quando quel combustibile viene bruciato, l'anidride carbonica non avrebbe mai bisogno di essere rilasciata, ma solo catturata e riciclata per produrre più carburante sintetico.

Le formule controllano, ma poche cose sono facili come sembrano su una lavagna.

Costruire molecole convenienti

Mona Amiri è una borsista post-dottorato che lavora con il team nel laboratorio di Bergens per sviluppare catalizzatori che possano far accadere la reazione della lavagna nella vita reale.

Costruire a livello atomico e in maniera modulare, lei e gli studenti Chao Wang e Octavio Perez stanno creando singole molecole che svolgono ciascuna una funzione individuale nel processo complessivo. Queste molecole possono essere ottimizzate e studiate separatamente, quindi essere facilmente assemblati come blocchi da costruzione, o addirittura autoassemblati, per funzionare come una singola unità.

Questo approccio consente al team di identificare rapidamente i punti deboli, cambiare i singoli componenti ed eventualmente ridurre i costi di progettazione eseguendo l'intero processo in un'unica unità. Ma ha senso solo se i catalizzatori e i componenti sono convenienti.

"La maggior parte dei catalizzatori che conosciamo in grado di raggiungere questo obiettivo sono basati su metalli costosi come il platino e l'iridio, " ha sottolineato Amiri. "Attualmente li usiamo per convalidare i principi, ma abbiamo bisogno di trovare alternative più abbondanti per un'adozione diffusa".

Con quello in mente, Amiri e il team stanno sviluppando nuovi catalizzatori basati su elementi comuni come il ferro. Finora queste molecole più comuni non si stanno dimostrando efficienti o di lunga durata, ma è sicura che possano essere raffinati in alternative utili.

"Sarà necessario unire efficienza, durata, convenienza e disponibilità, " lei disse.

Quando lei e la squadra di Bergens trovano il giusto equilibrio, la tecnologia risultante potrebbe essere un trampolino di lancio cruciale.

Una tecnologia di transizione

Con i catalizzatori giusti, impianti di gas naturale in tutto il mondo potrebbero avere impianti a combustibile solare costruiti accanto a loro, catturando la loro CO2 e facendola reagire con acqua e luce solare. Il risultato potrebbe essere un sistema di carbonio completamente chiuso in cui gli impianti generano energia attraverso la combustione, ma la CO2 non viene mai rilasciata nell'atmosfera.

"Questo non accadrà domani, " ha detto Bergens. "Ma a medio termine, potrebbe farci guadagnare tempo per lanciare nuovi combustibili che utilizzano qualcosa di diverso dal carbonio".

Bergens ha alcune idee su come potrebbe essere quel nuovo carburante. Disegna sulla lavagna una molecola che lega l'idrogeno con un altro elemento comune, e non emetterebbe altro che acqua quando bruciava, ma poi la cancella rapidamente.

"Questo è più lontano nel futuro, " disse con un sorriso. "Ma funziona alla lavagna."