Responsabile


Rea Elvira
elvira.rea@entecra.it

Staff

Di Carlo Aldo
aldo.dicarlo@uniroma2.it
Pierini Alessandro
alemarc79@interfree.it

Fisiologia delle produzioni agrarie

Fisiologia dello sviluppo vegetale in relazione agli input idrici e nutrizionali

Valutazione del potenziale della melanzana nella produzione di antociani come supporto allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica organica di terza generazione - AGROSOL

Coordinatore: CRA-RPS. http://rps.entecra.it

Finanziatore: MiPAAF. http://www.politicheagricole.it

Date: 30/06/2010

Lo scopo del progetto è quello di valutare le potenzialità della coltivazione estensiva della melanzana per la produzione a grande scala di pigmenti antocianici utilizzabili per il fotovoltaico organico. Il pigmento antocianico, rappresenta la parte essenziale della cella lavorando come agente fotosensibile, e cioè, eccitando la molecola base in presenza di radiazione luminosa.

Il progetto sarà articolato in tre fasi:
La prima fase riguarda un sondaggio sulle potenzialità delle cultivar comunemente coltivate in Italia. Sarà inoltre realizzato un primo sondaggio varietale in relazione alla concentrazione degli antociani nella buccia dei diversi genotipi. I risultati sulle concentrazione del pigmento insieme a dati standard di produttività delle cultivar fornirà gli strumenti per realizzare una prima selezione genotipica.
La seconda fase riguarda la valutazione agronomica (quantità di pigmento prodotto per unità di area coltivata) di sei cultivar migliori, selezionate nella prima fase del progetto. Sarà realizzata una caratterizzazione dei tipi di antociani tramite cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC) e saranno costruite ed analizzate dal punto di vista fotoelettronico celle fotovoltaiche con gli estratti prodotti dai diversi trattamenti sperimentali (genotipi). Il quadro finale dovrebbe fornire informazioni valide per selezionare le cultivar potenzialmente più idonee alla produzione di celle fotovoltaiche organiche.
La terza ed ultima fase sperimentale mira alla esplorazione di tecniche agronomiche per incrementare la resa antocianica della coltivazione.
L’insieme dei risultati porterà alla valutazione delle reali potenzialità della melanzana nel supporto della tecnologia fotovoltaica organica di terza generazione. Saranno fatte comparazioni in relazione alle prestazioni di altre specie ed il tutto sarà valutato in termini di fattibilità dell’inserimento di questa coltura ai fini proposti.

Organizzazione del Progetto (linee di ricerca ed UO)
Il progetto è organizzato su tre linee di ricerca:
- Attività di sperimentazione in campo,
- biochimica,
- costruzione e la caratterizzazione elettronica delle celle fotovoltaiche.

Le unità operative afferenti sono:
- CRA – Centro di Ricerca per lo studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo CRA-RPS (Roma)
- Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Roma:
- Azienda agricola PIERINI ALESSANDRO & C. SOCIETA’ AGRICOLA S.S.

Elenco delle Unità Operative (UO) partecipanti e di eventuali collaborazioni esterne
- CRA – Centro di Ricerca per lo studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo CRA-RPS (Roma)
Nell’ambito del gruppo coordinato dalla Dott.ssa Elvira Rea vengono condotte ricerche riguardanti la nutrizione idrica e minerale delle piante, le interazioni tra i diversi elementi della fertilità, l’effetto di questi ultimi sull’attività fotosintetica, la traspirazione, la resistenza stomatica ed il controllo chimico e biochimico sugli scambi gassosi. Vengono svolte inoltre, ricerche riguardanti lo sviluppo radicale, il metabolismo dell’etilene, i processi di assorbimento e di traslocazione degli elementi nutritivi, oltre a ricerche riguardanti le associazioni micorriziche.
In relazione alla produzione di ortaggi, si effettuano studi sulle problematiche inerenti alla dinamica dell’assorbimento dei nutrienti da parte della pianta, alla gestione della nutrizione minerale, nonché l’ottimizzazione delle rese quali-quantitative dei prodotti. Tale attività viene svolta su colture sia floricole che orticole.
Per la ricerca proposta, il CRA-RPS di Roma dispone di laboratori e serre, attrezzature di laboratorio per studi di biochimica, fisiologia e microbiologia; assorbimento atomico, sistema HPLC, gas-cromatografo, spettrometro simultaneo per emissione atomica con sorgente al plasma (ICP), sistema isoelettroforetico monodimensionale.

- Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Roma:
Il Polo Solare Organico della Regione Lazio (CHOSE da Center for Hybrid and Organic Solar Energy) nasce nel dicembre 2006 dalla volontà della Regione Lazio e del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Roma Tor Vergata di creare un centro di eccellenza, presso il campus universitario di Tor Vergata, per lo sviluppo della ricerca e dell'industrializzazione delle tecnologie organiche e ibride organiche-inorganiche applicate alle celle fotovoltaiche. L’utilizzo delle celle solari organiche ha lo scopo di migliorare l’efficienza energetica e di diffondere le fonti rinnovabili all’interno del territorio regionale e nazionale, nonché di rendere la tecnologia fotovoltaica uno strumento diffuso e conveniente di co-generazione d'energia pulita. Il progetto si inquadra nelle iniziative intese al raggiungimento degli obiettivi del protocollo di Kyoto e a soddisfare le relative esigenze per ciò che riguarda la riduzione dell’effetto serra, mediante l’utilizzazione di fonti rinnovabili di energia.
Le attività di ricerca e sviluppo del Polo Solare Organico della Regione Lazio si concentrano principalmente sulle celle DSSC (dette anche “celle di Grätzel”, dal nome del loro inventore). Per le celle DSSC, la parte fotoelettricamente attiva, spessa qualche micrometro ed inserita tra due elettrodi, è costituita da un pigmento organico, da ossido di titanio e da un elettrolita. Le celle DSSC, ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. La gamma di pigmenti che possono essere impiegati include non solo le molecole sintetizzate in modo da massimizzare l'assorbimento dello spettro solare ma anche quelli a base vegetale, come le antocianine derivate, ad esempio, dai frutti di bosco. Le efficienze delle celle che utilizzano l'antocianina si avvicinano all’1% mentre raggiunge il 12% se si utilizza un pigmento sintetici. Recentemente sono anche stati utilizzati veri e propri complessi proteici fotosintetici estratti, per esempio, dalle foglie di spinaci insieme a molecole sintetizzate chimicamente. Le celle DSSC attualmente più vicine ad una maturazione tecnologica, e quindi ad uno sfruttamento commerciale, sono quelle in cui il pigmento viene sintetizzato attraverso i processi della chimica organica, che tendono ad aumentarne il più possibile la fotostabilità nel tempo e l'assorbimento totale dello spettro solare. Efficienze massime del 10%-12% e tempi di vita di vari anni, valori comunque in costante aumento, sono stati misurati in laboratorio per questo tipo di cella singola. Come emerge da questa breve descrizione, il grosso vantaggio dei materiali fotovoltaici organici o ibridi in genere risiede nel fatto che questi possono essere depositati, su larghe aree e a costi molto ridotti, sia in soluzione liquida come veri e propri inchiostri o paste o attraverso semplici processi di evaporazione. Le attività di ricerca del Polo sono quindi indirizzare a definire processi di fabbricazione delle celle adottando metodologie tipiche dell’industria della stampa, come ad esempio lo spin coating (deposizione attraverso la rotazione veloce del substrato), l’ink-jet printing (stampa a getto di inchiostro) e lo screen-printing (tecnica simile alla serigrafia), e applicarli nel campo del solare organico, riducendo così gli alti costi di materiale e di processo tipici dell’industria dei semiconduttori in cui la purezza e le alte temperature richieste per la liquefazione, cristallizzazione e drogaggio del silicio provocano dispendio energetico ed economico. I processi di fabbricazione da impiegare sono facilmente estensibili alla produzione di pannelli su larghe aree e su substrati flessibili o film di plastica e compatibili con metodi di produzione a nastro o a rullo. Si prevede che lo sviluppo delle tecnologie sopra esposte e dei miglioramenti in efficienza e tempi di vita, necessari per rendere il fotovoltaico organico commerciabile, possa abbassare notevolmente il costo del fotovoltaico in futuro, rendendolo sempre più uno strumento importante di cogenerazione di elettricità pulita insieme alle altre energie rinnovabili esistenti o in via di sviluppo.

- Azienda agricola PIERINI ALESSANDRO & C. SOCIETA’ AGRICOLA S.S.
L’azienda agricola sita nella zona rurale di Tarquinia, provincia di Viterbo, gestisce circa 20 ettari di terreno coltivato di cui 1,3 ettari sotto serra. La produzione è orientata verso la produzione estensiva di ortaggi con qualche avvicendamento di cereali. L’azienda è attrezzata di impianti computerizzati per la gestione della fertirrigazione delle ortive. La gestione dell’azienda risale a due generazioni precedenti ed in quest’anno è passata al giovane imprenditore Alessandro Pierini. Il suddetto gestore si è laureato di recente in Scienze e Tecnologie Agrarie presso l’Università degli studi della Tuscia di Viterbo e attualmente si trova completamente dedicato alle attività aziendali. La coniugazione tra l’esperienza pluridecennale di coltivazione ortiva apportata dagli altri componenti familiari attivi nell’azienda insieme al bagaglio di conoscenze acquisite a livello universitario dal neo-gestore rappresentano un grandissimo fattore di competitività dell’azienda e facilitano enormemente lo sviluppo di attività innovative di ricerca come quella promossa da questa iniziativa concorsuale del MiPAF.

Inquadramento e Stato dell’arte
Le direttrici nel settore energetico definite dall’unione europea per il 2020 stabiliscono una riduzione del 20% le emissioni di CO2, un incremento del 20% nell’utilizzo d’energia rinnovabile ed un aumento dell’efficienza energetica del 20%. La tecnologia fotovoltaica si colloca in un posto strategico per il raggiungimento dei suddetti obiettivi in merito alle sue caratteristiche intrinseche tra cui: i) conversione diretta dell’energia radiante in energia elettrica; ii) facilità di stoccaggio e/o ancoraggio alle reti elettriche; iii)produzione a piccola scala senza compromettere considerevolmente l’efficienza e iv) portabilità. In effetti, le proiezioni EREC indicano un aumento della generazione d’energia elettrica da fonti fotovoltaiche da 0,26 GWp (Eurostat-2001) a 35 GWp nel 2020.
Nonostante tutte queste potenzialità, l’uso attuale del fotovoltaico è limitato dalla bassa competitività rispetto alle altre fonti energetiche oltre il considerevole impatto ambientale della tecnologia di produzione dei materiali. Il FOTOVOLTAICO ORGANICO, rappresenta una nuova concezione tecnologica nel campo della generazione dell’energia elettrica fotovoltaica. Questa tecnologia rappresenta in pratica l’ultima generazione di celle e quindi viene così nominata di “terza generazione”. Il principale punto di forza di questa tecnica consiste nella sua enorme potenzialità nell’abbattere radicalmente i costi di produzione della cella diminuendo enormemente il costo dell’energia prodotta. Tramite un approccio tecnologico radicalmente scostato da quello tradizionale (a semiconduttori), il Fotovoltaico Organico utilizza, molecole organiche per intercettare l’energia radiante del sole e, insieme agli altri componenti della cella, convogliare gli elettroni verso un circuito esterno per la generazione della corrente elettrica.

Obiettivo generale
Valutare le potenzialità della Melanzana (Solanum melanogena L.) quale fonte di antociani da impiegare come elemento fotosensibile in celle solari organiche di terza generazione.

Obiettivi intermedi
- Determinare le cultivar più idonee in termini di produzione quantitativa dei pigmenti
- Identificare i principali gruppi antociani presenti nei genotipi di Melanzana localmente coltivati.
- Valutare le prestazioni di celle fotovoltaiche organiche costruite a partire dagli estratti dei diversi genotipi.
- Valutare l’effetto di nuove tecniche agronomiche volte ad incrementare la resa dei pigmenti.

Obiettivo finale - Formulare un set di soluzioni agronomiche (cultivar-tecnica) idoneo alla coltivazione di melanzana come primo passo nel supporto della tecnologia fotovoltaica organica di terza generazione.

Piano delle attività
L’attività verrà svolta secondo il cronogramma di seguito riportato.

Risultati
Sperimentazione in pieno campo: Tra i genotipi studiati, è stata osservata una notevole variabilità sia in relazione alla resa in peso che nella resa in superficie epicarpica. I genotipi più produttivi in peso sono stati Top Bell (86,7 ton ha-1) e Tirrenia (84,7 ton ha-1), per le varietà tonde, mentre per le varietà lunghe Parthenope (76,0 ton ha-1) e Miranda (75,8 ton ha-1). A livello genotipico, l’andamento della produzione epicarpica nei frutti si è dimostrata fortemente relazionata al proprio peso in virtù dell’uniformità della forma dei frutti durante tutto il ciclo produttivo; differenze molto rilevanti nel rapporto peso:superficie sono state osservate tra le varietà tonde e quelle lunghe. Le varietà lunghe tendono ad avere rese in peso minori con rese in superficie maggiore. Infatti, la resa unitaria dei genotipi, data dal rapporti peso:superficie si è differenziata nettamente nelle due tipologie varietali. Questo indica che la pratica agronomica a questi scopi deve intrapprendere una strada alternativa a quella tradizionalmente usata nelle tecniche agronomiche e di miglioramento genetico per la produzione di genotipi commerciabili.
Valutazione elettronica dei pigmenti in cella fotovoltaica: Le celle contenenti additivi basici (HSE, R50) hanno mostrato correnti basse (<1mA/cm2); l’elettrolita senza additivi invece consente di raggiungere correnti fino a oltre 3mA/cm2, mantenendo tensioni basse. Le efficienze rilevate in questi ultimi saggi sono di 0.36, 0.32, 0.38, 0.34, 0.35, 0.36. Sia i valori di Efficienza Quantica Esterna sia quelli di efficienza media di conversione energetica (0.35%) sono in linea con i test riportati in letteratura e, paragonata con test simili, può essere considerata come un ottimo risultato.

Pubblicazioni chiave

Rivera, C.M., Rea, E., Di Carlo, A. (2010) - Use of greenhouses in hybrid crop production and photovoltaic energy generation: an earliest feasibility analysis. Book of abstract of 28th International Horticulture Congress, , Lisboa (Portugal) p. 182.