La crescente domanda di energia, unitamente alla consapevolezza degli impatti ambientali dei combustibili fossili, sta spingendo la ricerca e l’innovazione verso fonti energetiche sempre più pulite per un approccio industriale volto alla sostenibilità. È qui che entrano in scena i materiali avanzati che svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo delle nuove tecnologie sostenibili per l’energia pulita, migliorando le prestazioni, riducendo i costi, oltre ad aumentare la sostenibilità.
I materiali avanzati contribuiscono alla sostituzione critica delle materie prime, riducendo così potenzialmente la dipendenza dell’UE dai Paesi terzi. L’obiettivo della ricerca sui materiali è comprendere le proprietà fisiche e chimiche fondamentali di ciascun materiale e utilizzare questa comprensione per migliorare la base tecnologica di cui disponiamo per soddisfare le nostre esigenze in termini di energia.
Indice degli argomenti
Cosa sono i materiali energetici avanzati
Il futuro dell’energia è strettamente legato all’innovazione in termini di materiali avanzati che possano migliorare l’efficienza delle tecnologie esistenti e aprire nuove possibilità per la produzione e lo stoccaggio di energia in termini di transizione energetica dell’UE. Si prevede che la domanda di questi materiali aumenterà nel prossimo futuro, in particolare a seguito delle ambiziose iniziative dell’UE per la diffusione di tecnologie verdi e innovazioni ad alto contenuto tecnologico.
Materiali per l’accumulo di energia
Si tratta di materiali atti a migliorare le prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia come batterie e supercondensatori. Tali materiali risultano essenziali per ottenere una maggiore potenza e densità di energia e per l’uso efficiente delle fonti di energia rinnovabile. Strategie come la nanostrutturazione, l’ibridazione e la modifica della superficie vengono impiegate per migliorare le prestazioni di tali materiali. Ad esempio, i nanomateriali offrono un migliore trasporto degli ioni e una maggiore conduttività, rendendoli adatti per applicazioni ad alta energia e ad alta potenza. Inoltre, i nanomateriali sono utilizzati nella produzione di idrogeno fotocatalitico a energia solare, le celle solari sensibilizzate al colorante e le batterie agli ioni di litio.
Ancora, questi materiali avanzati vengono impiegati per batterie allo stato solido, migliorando la sicurezza e la densità di energia, per garantire un’elevata capacità di carica e scarica rapida.
Infine, i sistemi di accumulo di calore termochimico (TCS – Thermochemical Heat Storage) stanno emergendo come una tecnologia promettente per l’accumulo di energia raccolta da impianti solari a concentrazione (CSP – Concentrated Solar Power). Infine, materiali come idruri metallici, idrossidi e ossidi metallici redox sono oggetto di studio per il loro potenziale nei sistemi TCS per le loro caratteristiche di cinetica rapida e di stabilità.
Accumulo di energia fotoelettrochimica
I dispositivi di accumulo di energia fotoelettrochimica (PES – Photoelectrochemical Energy Storage) rappresentano un nuovo approccio per convertire e immagazzinare direttamente l’energia solare. Tali dispositivi semplificano la configurazione e riducono la perdita di energia rispetto alle tradizionali celle fotovoltaiche e foto(elettro)catalitiche. Inoltre, i materiali PES avanzati sono in fase di sviluppo per migliorare l’efficienza e la stabilità di questi dispositivi.
Materiali per supercondensatori ibridi
I supercondensatori ibridi combinano i vantaggi delle batterie e dei supercondensatori, offrendo un’elevata capacità energetica e una rapida fornitura di energia. Lo sviluppo di materiali compositi, come il grafene e gli ossidi dei metalli di transizione, è fondamentale per migliorare le prestazioni dei supercondensatori ibridi.
Materiali fotovoltaici
Si tratta di materiali quali il perovskiti, in grado di garantire alta efficienza e potenziale per la produzione a basso costo, oppure celle multi-giunzione che garantiscono una maggiore efficienza, sfruttando le diverse lunghezze d’onda.
Materiali termoelettrici
Si tratta di leghe a base di tellurio e compositi Zintls (i.e. composti intermetallici formati da metalli fortemente elettropositivi) che sono in grado di convertire direttamente il calore in elettricità e viceversa. Lo sviluppo di materiali termoelettrici più efficienti potrebbe consentire il recupero del calore disperso in processi industriali, motori a combustione e dispositivi elettronici, aumentando l’efficienza energetica complessiva.
Materiali per l’idrogeno verde
Per la gestione dell’idrogeno verde vi sono diversi materiali a disposizione. Gli elettro-catalizzatori avanzati impiegano ossidi di platino o metalli che garantiscono un’efficiente elettrolisi dell’acque, oppure membrane conduttrici di protoni che migliorano l’efficienza delle celle a combustibile.
Materiali per la cattura e lo stoccaggio del carbonio
I MOF (Metal Organic Frameworks) sono strutture metallo-organiche ad elevata capacità di intrappolare il CO2a livello molecolare oppure assorbenti rigenerativi adattati per applicazioni industriali.
Materiali per l’efficienza energetica negli edifici
Si tratta di materiali isolanti avanzati, rivestimenti a bassa emissività per finestre e materiali intelligenti che regolano il passaggio della luce e del calore e possono ridurre significativamente il consumo energetico negli edifici per il riscaldamento, il raffreddamento e l’illuminazione.
Iniziative europee e nazionali per i materiali avanzati
Nel 2024 la Commissione Europea ha lanciato la partnership “Innovative Advanced Materials for Europe” (IAM4EU)” con l’obiettivo di affrontare le sfide poste dalle transizioni digitale e green attraverso l’impiego di materiali avanzati. L’iniziativa mira a mettere in sinergia competenze, risorse e capacità innovative di attori pubblici e privati, promuovendo una collaborazione strutturata tra i Paesi europei.
La partnership, completamente finanziata dalla Commissione – senza contributi diretti da parte degli Stati membri – prevede un investimento complessivo di 250 milioni di euro da utilizzare tra il 2025 e il 2027, in coincidenza con la conclusione del programma Horizon Europe.
L’Unione Europea riconosce ai materiali avanzati un ruolo strategico per raggiungere gli obiettivi della duplice transizione digitale e green, sottolineando la necessità di una risposta rapida e coordinata alla crescente competizione globale. La frammentazione dei programmi di ricerca e innovazione rappresenta, infatti, un ostacolo alla leadership industriale europea, soprattutto considerando che gli investimenti nel settore, ad oggi, sono inferiori alla metà di quelli effettuati dagli Stati Uniti. Pertanto, IAM4EU rappresenta un’opportunità concreta per allineare programmi nazionali ed europei e creare un nuovo partenariato industriale.
Il ruolo dell’Italia
L’Italia intende ricoprire un ruolo di primo piano su questo fronte, con il Cluster Tecnologico Nazionale Fabbrica Intelligente di Bergamo che si propone come facilitatore e coordinatore tra gli attori coinvolti. Tale ruolo di raccordo sarà fondamentale per affrontare in modo efficace le sfide poste dall’innovazione nei materiali avanzati, elemento chiave per lo sviluppo di nuovi processi produttivi e per la competitività industriale.
Tra gli obiettivi dell’iniziativa europea figurano anche la creazione di una Academy europea dedicata ai materiali avanzati e lo sviluppo di una piattaforma digitale condivisa. Particolare attenzione sarà rivolta al coinvolgimento delle piccole e medie imprese, che, grazie alla loro vicinanza ai bisogni concreti del mercato, potranno contribuire in modo decisivo a orientare ricerca e innovazione. Di fatto, il loro coinvolgimento sin dalle fasi iniziali sarà essenziale per un approccio sistemico e inclusivo, in grado di valorizzare le eccellenze del tessuto produttivo nazionale ed europeo.
Sfide e prospettive future per i materiali avanzati
La stabilità a lungo termine, la scalabilità della produzione, i costi e l’impatto ambientale dei materiali avanzati richiedono ulteriori approfondimenti e investimenti in ricerca, innovazione e collaborazione tra università, centri di ricerca e industria.
Negli ultimi tempi, l’intelligenza artificiale e le tecniche di apprendimento automatico si stanno dimostrando strumenti di grande valore per accelerare l’individuazione e la progettazione di questi materiali, con proprietà specificamente mirate alle esigenze del settore energetico.
È importante sottolineare che i materiali avanzati rivestono un ruolo strategico nel rafforzare la resilienza delle catene di approvvigionamento, riducendone la vulnerabilità alle perturbazioni esterne. Inoltre, il loro impatto è particolarmente rilevante in settori chiave come le energie rinnovabili e la mobilità sostenibile, ambiti caratterizzati da una forte domanda e spesso da una capacità produttiva interna limitata.
Di fatto la competitività dell’UE si basa sul antaggio tecnologico e sulla fornitura costante di materiali avanzati per le transizioni verde e digitale. La nuova strategia UE è destinata a creare nuove opportunità per le aziende europee e fornirà all’Europa le infrastrutture e le competenze necessarie per mantenere un ruolo di primo piano sulla scena internazionale. Ciò è essenziale per rafforzare la competitività industriale, l’autonomia strategica aperta sia dell’Italia sia dell’Europa a livello internazionale.
