Energia elettrica: i superconduttori potrebbero ridurne sensibilmente i costi

Il superconduttore a temperatura ambiente potrebbe permettere di abbattere i costi della distribuzione di energia e cambiare la struttura del sistema di produzione e distribuzione della corrente elettrica. Per approfondire il tema, Canale energia intervista il prof. Giacomo Ghiringhelli, titolare del corso di Magnetismo e superconduttività al Politecnico di Milano e tra i coautori della ricerca prodotta dall’ateneo e pubblicata su Science rivelatrice dei risultati su questa tecnologia.

In seguito alla vostra scoperta, si parla di rivoluzione dell’elettricità grazie ai superconduttori a temperatura ambiente che potrebbero abbatterne i costi. Come potrebbe avvenire questa revisione? Può spiegarla meglio?

La superconduttività da molto tempo stimola la nostra curiosità come fenomeno davvero inusuale e la nostra fantasia per le possibili applicazioni. Immaginiamo se tutta la rete di distribuzione della corrente elettrica fosse superconduttiva, quindi senza perdite di energia dovuta alla resistenza dei cavi. Immediatamente, si risparmierebbe questa frazione di energia che ora è sprecata nel trasporto, in media intorno al 5% di quella prodotta, ma con punte del 10% in zone più densamente abitate. Oggi, per ridurre le perdite si ricorre alle condotte ad alta tensione, che utilizzano correnti minori a parità di potenza trasportata, e quindi subiscono perdite inferiori. Ma, queste condotte richiedono tralicci molto alti e invasivi, e stazioni di trasformazione per riportare la tensione a valori adatti all’utilizzo finale nelle abitazioni e nelle aziende. Con i superconduttori, potremmo distribuire l’elettricità a tensioni più basse e correnti maggiori, senza sprechi, eliminando le condotte ad alta tensione e le stazioni di trasformazione. 

In che modo questo materiale potrebbe trasformare le tecnologie della distribuzione?

È noto da molti decenni che la sfida è quella di trovare i materiali superconduttori adatti ad un utilizzo massiccio. Poiché la superconduttività compare solo al di sotto di una temperatura cosiddetta “critica”, diversa per ogni materiale, l’obiettivo è di scoprire, o inventare, materiali con temperatura critica più elevata possibile. Infatti, la maggior parte dei superconduttori ha temperature critiche molto basse, di pochi gradi sopra allo zero assoluto, raggiungibili solo in laboratorio e con grande dispendio di mezzi ed energia. 

I superconduttori “tecnologici” attuali, utilizzati ad esempio al Cern di Ginevra, per funzionare devono essere tenuti a bagno nell’elio liquido, a 4 Kelvin, cioè -269°C.

I cuprati, di cui ci occupiamo, sono stati scoperti 35 anni fa, e funzionano anche a -160°C, una temperatura sicuramente più alta e ottenibile con il più economico azoto liquido, ma purtroppo ancora incompatibile con applicazioni di massa. I nostri studi puntano a capire i meccanismi microscopici che rendono i cuprati dei superconduttori speciali, così migliori degli altri, con l’obiettivo di migliorarli, o di ingegnerizzare altri materiali che facciano ancora meglio e ci permettano di avere la superconduttività anche a temperature “normali” sulla Terra. Si tratta di una sfida molto ambiziosa, ma la posta in gioco è enorme e bisogna insistere. La ricerca di base, come quella cui si fa riferimento nello studio, è spinta dalla curiosità di capire meglio i cuprati, di svelarne i “misteri”, ma anche dall’ambizione di contribuire al progresso tecnologico anche se solo indirettamente. 

Cosa si intende quando si parla di cambiare la struttura del sistema di produzione della corrente elettrica? Potrebbe essere un modo per rendere la produzione e l’approvvigionamento più stabile, evitare il gap come quello attuale tra domanda e offerta e, di conseguenza, il caro energia?

Una rete elettrica superconduttiva avrebbe diversi vantaggi. Si potrebbe pensare di allontanare ulteriormente i luoghi di produzione da quelli di consumo dell’energia elettrica, poiché gli sprechi sarebbero minori, e così si potrebbero sfruttare meglio le risorse rinnovabili come eolico e fotovoltaico anche quando le centrali sono in zone remote. 

Di fatto, si potrebbe anche pensare a una maggiore interconnessione della rete, anche su aree più estese di oggi, diminuendone la fragilità ed aumentandone la flessibilità, non solo dal punto di vista tecnico, ma anche economico e politico. 

È opportuna anche una considerazione aggiuntiva a proposito della produzione di energia elettrica. I superconduttori sono una delle tecnologie chiave anche nel “progetto Iter” per la fusione nucleare. Infatti, per confinare il plasma caldissimo (150 milioni di gradi) in cui la fusione di deuterio e trizio produce il calore da convertire in energia elettrica, servono campi magnetici molto intensi, che saranno prodotti da elettromagneti fatti di superconduttori. Superconduttori “tradizionali”, quindi raffreddati a -269°C. Qui, troviamo il caldo e il freddo a pochi centimetri di distanza. I superconduttori sono quindi al centro della futura rivoluzione elettrica in molti modi. 

*[Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa₂Cu₃O_7–δ, Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Götz Seibold, Matteo Rossi, Roberto Fumagalli, Edoardo Trabaldo, Nicholas B. Brookes, Lucio Braicovich, Sergio Caprara, Ulf Gran, Giacomo Ghiringhelli, Thilo Bauch, Floriana Lombardi, Science 373 1506 (2021)]