Generatori elettrici biologici

Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto sull'Inquinamento Atmosferico

Risultato della ricerca:

Il progetto si vuole focalizzare sui generatori elettrici – dispositivi destinati a produrre energia elettrica a partire da una diversa forma di energia (meccanica, chimica, luminosa, termica). I “Generatori Elettrici A Induzione” inducono corrente elettrica in un circuito per effetto della legge di Faraday e sono i più importanti in termini di produzione di energia elettrica.

Esistono anche sperimentazioni in tale ambito che prevedono l’impiego di colture di organismi viventi per produrre energia (“Energy Production From Algae In Photo Bioreactors Enriched With Carbon Dioxide”) oppure lo sfruttamento della polarizzazione e depolarizzazione della membrana (“Biomimetic Artificial Membrane Device”).

Il progetto ha studiato una soluzione per superare i limiti dell’impiego di colture con organismi viventi e per quanto riguarda la Biomimetic Artificial Membrane Device, i problemi relativi alla polarizzazione depolarizzazione della membrana e l’imprevedibilità della distribuzione di queste molecole a livello della membrana.

Il modello supera i limiti dell’attuale produzione di batterie al litio, garantendo una svolta notevole in una serie di settori dove sono richiesti accumulatori o generatori che non abbiano le limitazioni sopra citate grazie all’applicazione di strutture sintetiche.

Nel brevetto Biomimetic Artificial Membrane Device, che in ogni caso contiene tutti i limiti sopra esposti ma superati dalla nuova tecnologia protetta con Brevetto PCT/IT2017/000, ogni mole di NaCI potrebbe produrre una mole di elettrone, cioè 500J / g (da confrontare con le migliori batterie, in grado di fornire 160 Wh / kg = 576 J / g).

Potremo con questa nuova tecnologia, oltre a superare i limiti sopra esposti, incrementare ulteriormente la resa, attraverso un aumento di densità di molecole attive per superficie di membrana (sistema di sintesi delle membrane migliori), mediante un sistema di membrane che mantiene concentrazioni ottimali di ATP.

La medesima tecnologia è utilizzabile anche per la produzione di accumulatori di energia elettrica applicabili nel settore delle auto elettriche.

I motivi per cui questa tecnologia si presta a tale impiego, e i rispettivi vantaggi rispetto agli attuali limiti, sono la velocità di carica, comparabile a quella necessaria a fare rifornimento per un veicolo a combustione interna.

Un altro vantaggio è rappresentato dall’eliminazione del decadimento della capacità energetica della batteria, cui invece vanno incontro i normali accumulatori al litio in uso, i quali rendono necessaria la sostituzione della batteria stessa.

La nuova soluzione tecnologica identificata permette di ridurre l’inquinamento atmosferico, promuove la mobilità sostenibile e riduce il consumo di combustibili fossili. Tali vantaggi saranno oggetto di studio tramite analisi di diversi scenari e confronto con le tecnologie attualmente utilizzate.

Il settore di riferimento della S3 è Smart Manufacturing in particolare rientra nelle traiettorie di sviluppo di: Smart materials: in quanto sono inclusi nella traiettoria anche i materiali avanzati per l’energia da fonti rinnovabili (produzione e stoccaggio) nonché i materiali per ambiti applicativi specifici di particolare interesse per le aree della S3 Smart solutions: in cui elemento importante dal punto di vista della sostenibilità, oltre alla gestione del fine vita dei prodotti sono rilevanti le soluzioni per la riduzione del consumo di energia e per immagazzinare e utilizzare l’energia in modo mirato.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Le attività non sono oggetto di precedenti progetti finanziati da bandi di finanziamento.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Le tradizionali batterie al litio precedentemente descritte impiegate come accumulatori hanno una lunga serie di limiti:

– il deterioramento nel tempo (nei processi di carica e scarica);

– la difficolta nello smaltire i materiali a fine ciclo vita;

– i lunghi tempi di ricarica;

– la suscettibilità nella capacità di accumulare energia legata alle temperature.

Il modello supera i limiti dell’attuale produzione di batterie al litio, garantendo una svolta notevole in una serie di settori dove sono richiesti accumulatori o generatori che non abbiano le limitazioni sopra citate.

Brevetti: Brevetto PCT/IT2017/000

Articoli Lee, Byungju, et al. “Exploiting biological systems: toward eco-friendly and high-efficiency rechargeable batteries.” Joule 2.1 (2018): 61-75.

Titoli di proprietà intellettuale:

Da una preliminare ricerca di anteriorità brevettuale non risultano documenti rilevanti che anticipino l’oggetto di questo progetto. Il testo del brevetto non è ancora scritto in attesa di avere abbastanza risultati sperimentali.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

I campi d’impiego variano notevolmente, ma possono essenzialmente essere riassunti nella realizzazione di sistemi di generazione/accumulo di energia elettrica per alimentare il fabbisogno energetico degli edifici (di nuova costruzione e ristrutturazione) e di veicoli elettrici con tempi di ricarica notevolmente ridotti.

Inoltre, le prospettive di utilizzo includono dispositivi che richiedono accumulatori con dimensioni o forme che altre tecnologie non permettono. In particolare, questa tecnologia consente una notevole riduzione delle dimensioni. Di conseguenza, la soluzione tecnologica permette di ridurre le emissioni dal traffico veicolare e da riscaldamento domestico, e di migliorare la qualità dell’aria indoor. Tali miglioramenti saranno oggetto di verifica in successive sperimentazioni.

Il sistema permette di realizzare il modello dell’autoproduzione di energia da fonti rinnovabili: il cittadino che vive la quotidianità dei problemi legati all’inquinamento ed ai costi dei servizi energetici percepisce più di altri che l’autoproduzione di elettricità per soddisfare in autonomia i propri bisogni è una grande conquista.

Consentirà di produrre energia elettrica a seconda delle necessità da impiegare come tale per il funzionamento di tutti i device che si alimentano direttamente con la corrente (elettrodomestici, luci, ecc), oppure in accoppiata a sistemi di generazione di energia termica a loro volta alimentati da corrente elettrica (ventilconvettori, pompe di calore, condizionatori, ecc), con l’immenso vantaggio dell’utilizzo di energia elettrica totalmente pulita, rinnovabile, non inquinante.

Tutto sarà reso possibile mediante l’impiego di bio-reattori che potranno essere posti nelle abitazioni/edifici. Si potrà quindi produrre energia partendo da semplice glucosio in maniera

efficiente, quando sarà necessario e senza necessità di tenere conto dei vari fattori che limitano fortemente le fonti rinnovabili nell’uso quotidiano, come la discontinuità del sole per gli impianti fotovoltaici (dovuta al normale ciclo circadiano – inevitabile susseguirsi di ore di luce e ore di buio – e alle condizioni atmosferiche) e la discontinuità del vento per gli impianti eolici. Tutti fattori completamente ininfluenti nel nostro sistema.

Esistono sperimentazioni in tale ambito che prevedono l’impiego di colture di organismi viventi per produrre energia (“Energy Production From Algae In Photo Bioreactors Enriched With Carbon Dioxide”) oppure lo sfruttamento della polarizzazione e depolarizzazione della membrana (“Biomimetic Artificial Membrane Device”). In entrambi i casi ci sono difficoltà che non rendono possibile il passaggio dalla fase sperimentale alla fase applicativa, e quindi alla produzione industriale, vendita e impiego quotidiano:

– l’impiego di colture con organismi viventi comporta il mantenimento di rigidi range di parametri (temperatura, pH, ecc.) ed il rinnovo dei terreni per garantire il proseguo delle attività metaboliche che garantiscono energia. Inoltre, tali sistemi sono suscettibili ad infezioni e richiedono di essere maneggiati secondo protocolli di asepsi;

– per quanto concerne il Biomimetic Artificial Membrane Device, la membrana non si polarizza e depolarizza in maniera ciclica in automatico, e il flusso delle molecole necessarie a mantenere attivo il processo e la loro concentrazione devono essere garantite esternamente in modo meccanico.

Ulteriore limite è l’imprevedibilità della distribuzione di queste molecole a livello della membrana.

Limiti sono superabili superati utilizzando strutture sintetiche.

Inoltre, al fine di promuovere la diffusione della tecnologia proposta, è necessario quantificare correttamente i benefici ambientali che essa comporterebbe. Di conseguenza, sono necessari ulteriori studi di tipo LCA e tramite modelli di inquinamento atmosferico a diversi scenari di penetrazione della tecnologia.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Le esigenze dello sviluppo sono legate al passaggio da TRL 4, ovvero livello in cui la tecnologia è convalidata a scala di laboratorio a TRL 6, ovvero in cui la tecnologia è dimostrata in ambiente (industrialmente) rilevante. Dunque le attività da svolgere saranno prove e test in scala pilota.

Codice:

0125

Area di Innovazione:

Smart Manufactoring