La pioggia sta conquistando il mondo come risorsa rinnovabile. L’energia cinetica dell’acqua che cade è al centro della ricerca attuale e potrebbe presto affiancarsi al dominio dell’energia solare ed eolica nel dibattito sull’energia sostenibile. Ecco come i ricercatori di tutto il mondo stanno trasformando le precipitazioni in energia e cosa potrebbe significare per il futuro dello sfruttamento delle energie rinnovabili.

Perché sfruttare l’acqua piovana per produrre elettricità?

L’energia idroelettrica è tipicamente associata a dighe e fiumi, dove enormi turbine girano per generare elettricità. Tuttavia, questa forma di energia idroelettrica è geograficamente limitata e richiede infrastrutture su larga scala, che possono distruggere habitat e alterare i flussi naturali dei fiumi. Le regioni prive di forti correnti fluviali o di spazio adeguato potrebbero non trarne beneficio.

Nel frattempo, l’energia solare è oggi la principale contendente per l’energia pulita, ma non può produrre elettricità durante i temporali. I generatori alimentati dalla pioggia risolvono il problema che queste tecnologie pongono alle aree con abbondanti precipitazioni e infrastrutture limitate. La Terra riceve  oltre 100 centimetri di pioggia all’anno, sebbene la distribuzione vari a seconda della regione. I paesi equatoriali e le aree monsoniche del Sud-est asiatico ricevono i livelli più elevati di precipitazioni, mentre molte regioni alle medie latitudini registrano comunque precipitazioni sufficienti. Questo rende l’energia della pioggia accessibile in un’ampia gamma di aree geografiche.

Il cambiamento climatico ha anche intensificato i modelli di precipitazioni. Con l’aumento delle temperature globali, la capacità dell’atmosfera di trattenere l’umidità aumenta. Gli scienziati stimano che  per ogni grado Celsius di aumento della temperatura, l’aria possa contenere circa il 7% in più di vapore acqueo. Ciò porta a precipitazioni più frequenti e intense, già osservate in molte parti del mondo. Invece di considerare questi acquazzoni solo come un pericolo, scienziati e ingegneri stanno trovando il modo di sfruttarne l’energia per il bene comune.

Gravità ed effetto flusso a pistone

Una delle innovazioni più entusiasmanti in questo campo è l’utilizzo dell’effetto di flusso a pistone per generare elettricità. Sviluppato dai ricercatori della National University of Singapore, questo metodo prevede il convogliamento di goccioline delle dimensioni di una goccia di pioggia attraverso stretti tubi polimerici. Invece di formare un flusso continuo, le goccioline sono separate da sacche d’aria e viaggiano a brevi intervalli, creando un modello di flusso noto come flusso a pistone.

Questa potrebbe sembrare una differenza di poco conto, ma ha un impatto significativo sulle prestazioni. Quando le goccioline attraversano gli stretti tubi, il contatto tra l’acqua e la superficie interna del tubo provoca la separazione delle cariche. Poiché l’acqua è segmentata dall’aria, ogni esplosione genera una carica più forte e definita, che può essere raccolta attraverso i circuiti collegati.

Nei test di laboratorio, questa configurazione ha convertito oltre il 10% dell’energia cinetica della pioggia in elettricità. Collegata ai cavi, era abbastanza potente da accendere 12 lampadine a LED per 20 secondi, utilizzando l’acqua che gocciolava da quattro piccoli tubi. Per fare un paragone, il flusso a pistone generava 100.000 volte più elettricità rispetto ai flussi d’acqua continui in sistemi simili. Si tratta di un enorme passo avanti nell’efficienza dell’acqua piovana, soprattutto per applicazioni urbane su piccola scala.

Dischi di pressione, potenza e piezoelettrici

Mentre la tecnologia a flusso a pistone sfrutta l’energia cinetica dell’acqua attraverso schemi di flusso, un altro metodo promettente cattura l’energia attraverso la pressione, in particolare la forza delle gocce di pioggia che colpiscono una superficie. Questo approccio utilizza materiali piezoelettrici per convertire lo stress meccanico in elettricità. Tra le applicazioni più note di questo metodo c’è un dispositivo chiamato RainCharge, sviluppato da un team di innovatori delle scuole superiori in California.

Quando una goccia di pioggia colpisce il disco, il materiale viene compresso leggermente. Questa deformazione meccanica altera la struttura interna del materiale, creando una carica elettrica. Questa carica viene raccolta e immagazzinata in una batteria ricaricabile per un utilizzo successivo. Nei test, RainCharge  ha prodotto due volt in 30 secondi ed è stato in grado di caricare completamente una batteria AAA in 2,12 ore di pioggia continua. Questa potenza è sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici come torce elettriche o radio.

Ciò che rende questa innovazione particolarmente interessante è la sua compattezza, il prezzo accessibile e la facilità d’uso. A differenza dei più grandi impianti a energia rinnovabile, RainCharge non richiede infrastrutture speciali, cablaggi complessi o luce solare. Può essere installato su tetti, balconi, tende o persino su uno zaino, il che lo rende ideale per famiglie e amanti dell’outdoor.

I sistemi piezoelettrici non sono ancora adatti ad alimentare interi edifici, ma offrono un’eccellente fonte di energia rinnovabile, soprattutto nelle regioni soggette a tempeste. Anche le comunità svantaggiate ne traggono beneficio, quando vengono utilizzati in dispositivi medici salvavita o elettrodomestici da cucina.

Dove si inserisce la potenza della pioggia

Si prevede che la domanda di fonti di energia elettrica flessibili e decentralizzate crescerà. Il World Energy Outlook prevede che  metà delle auto mondiali sarà completamente elettrica entro il 2040, aumentando drasticamente la domanda e diversificando ulteriormente le modalità di produzione e consumo di energia.

Nelle aree urbane dense, dove grandi impianti solari o eolici non sono realizzabili, i generatori alimentati dalla pioggia potrebbero contribuire a decentralizzare la rete e fornire un backup in caso di guasto di altri sistemi. Questa innovazione potrebbe essere determinante nelle regioni tropicali come l’Asia, dove le precipitazioni sono frequenti e intense.

Ad esempio, Mawsynram, in India, l’area più umida del mondo, subisce interruzioni di corrente durante la stagione dei monsoni e potrebbe trarre grandi benefici da questa tecnologia. Singapore, invece, registra una media di circa 171 giorni di pioggia all’anno, offrendo un notevole potenziale di generazione di energia utilizzando sistemi a flusso continuo o piezoelettrici per favorire l’incremento di iniziative ecosostenibili.

In questi contesti, i sistemi elettrici alimentati dalla pioggia, sebbene attualmente di piccole dimensioni, rappresentano un tassello essenziale del puzzle dell’energia distribuita. Consentono a famiglie, veicoli o città di generare energia pulita indipendentemente dalla rete centralizzata, soprattutto in caso di pioggia, quando la tecnologia solare non è più efficiente. Queste tecnologie possono contribuire a un ecosistema resiliente e multi-fonte, in grado di soddisfare le esigenze mutevoli di un futuro dominato dalla mobilità elettrica.

Intermittenza e sfide di output

Nonostante il loro potenziale, i generatori di energia a pioggia sono ancora in fase di sviluppo. Una delle principali sfide è la natura intermittente di ogni pioggerella. La produzione di energia dipende dalla frequenza e dall’intensità delle precipitazioni, il che la rende inaffidabile come unica fonte di energia nei climi più secchi.

I sistemi attuali producono anche tensioni relativamente basse, il che li rende più adatti all’uso supplementare o di emergenza piuttosto che all’alimentazione di intere abitazioni. Tuttavia, i ricercatori sono ottimisti sul fatto che i miglioramenti tecnologici, come materiali migliori e design modulari, potrebbero aumentare notevolmente la potenza.

Come ha rivelato uno studio di Hong Kong, la generazione di elettricità basata su goccioline (DEG) potrebbe essere in grado di generare picchi di alta tensione utilizzando strutture simili a transistor a effetto di campo, preannunciando future innovazioni che porteranno a una produzione costante. Questo studio  ha alimentato 100 lampadine a LED con una sola goccia d’acqua rilasciata da una distanza di 15 centimetri.

Aumentare l’energia della pioggia per una rete più verde

Il futuro dell’elettricità ricavata dall’acqua piovana dipende dall’adattamento di queste tecnologie alle esigenze del mondo reale. Gli scienziati ritengono che i sistemi a flusso continuo potrebbero essere installati sui tetti delle città, mentre i tappeti piezoelettrici potrebbero essere utilizzati in dispositivi indossabili o kit di emergenza. La tecnologia DEG potrebbe colmare il divario in termini di bassa tensione.

In combinazione con l’energia solare ed eolica, la pioggia ha il potenziale per stabilizzare il mix energetico rinnovabile, in particolare nelle smart city resilienti ai cambiamenti climatici. Con la crescente domanda di soluzioni pulite, off-grid e decentralizzate, la capacità di sfruttare l’energia rinnovabile derivante dalle precipitazioni non è più solo una curiosità accademica.

Quando piove, genera energia

La prossima volta che sentite le gocce di pioggia picchiettare sulla finestra, ricordate che in quella tempesta c’è energia inutilizzata, che trasforma il tempo atmosferico in watt. Con la ricerca continua, il supporto politico e l’adozione da parte della comunità, potremmo presto vedere un mondo in cui i temporali contribuiscono effettivamente a tenere accese le luci.

Foto: SciTech Daily