Materiali e dispositivi di frontiera per applicazioni energetiche

Abstract:

La crisi energetica emersa nel 2022 ha rimodellato la domanda energetica precedentemente consolidata. L’Unione Europea ha visto la triplicazione dei prezzi all’ingrosso dell’elettricità nella prima metà del 2022. Ciò è stato principalmente una conseguenza dei prezzi record del gas naturale, ma ha riflettuto anche l’aumento dei prezzi del carbone, del petrolio, esacerbati dalla ridotta disponibilità di energia nucleare e idroelettrica. Nel 2023 la situazione si è temporaneamente riassestata. Come emerso dal rapporto sulla situazione energetica nazionale nel 2023 del MASE, la richiesta di energia elettrica in Italia nel 2023 è stata pari a 305,0 TWh, in calo del 3,2% rispetto all’anno precedente. Pur rimanendo la fonte termoelettrica tradizionale quella a maggior copertura del fabbisogno (circa il 55% del totale energia prodotta), questa registra un decremento del 19,3% concentrato, in valore assoluto, principalmente sul gas naturale e sui combustibili solidi. Record storico per le produzioni eolica e fotovoltaica che si attestano rispettivamente a 23,3 TWh e 30,7 TWh (con un incremento complessivo dell’11,1% rispetto al 2022). Le risposte politiche stanno registrando sforzi determinati per accelerare gli investimenti nell’energia pulita ma anche nell’efficientamento energetico. Poiché molte delle soluzioni alla crisi coincidono con quelle necessarie per raggiungere gli obiettivi climatici globali, la crisi potrebbe segnare un punto di svolta critico nel percorso verso la sicurezza energetica e la riduzione delle emissioni.

In questo contesto, lo sviluppo di materiali di prossima generazione è fondamentale per migliorare la funzionalità e ridurre i costi e di conseguenza per migliorare l’efficienza dei sistemi energetici del futuro. Materiali innovativi con funzionalità migliorate possono migliorare la produttività energetica in diversi settori. I materiali con nuove proprietà, maggiore durabilità e sostenibilità faranno risparmiare energia nei processi e nelle applicazioni ad alta intensità energetica e creeranno un nuovo sviluppo per la generazione di energia rinnovabile.

Il progetto mira allo sviluppo di materiali funzionali alle tecnologie previste negli altri progetti o alla loro integrazione nel sistema elettrico e materiali nuovi che potranno essere in futuro studiati nelle tecnologie sviluppate negli altri progetti, andando anche ad incidere sulla sostenibilità e i costi del sistema elettrico nazionale.

Lo sviluppo di materiali, qualunque sia l’applicazione per cui vengono sviluppati e ingegnerizzati, deve inoltre tenere in attenta considerazione la riduzione nell’impiego di elementi critici strategici, individuati nella recente normativa Europea relativamente ai materiali connessi con la transizione energetica.

In particolare, il progetto mira allo sviluppo di materiali per:
- sistemi di reattori a membrana per la conversione di chemicals e produzione/separazione di idrogeno
- sistemi a scambio ionico per la produzione di energia da gradienti salini
- sistemi per recupero ed accumulo energetico (energy harvesting/storage).

Nell’ambito dei reattori a membrana, verranno sviluppati reattori per la conversione di C1-C2 chemicals e simultanea separazione di idrogeno operanti in vari range di temperatura. In particolare, verranno prodotte membrane ceramiche incorporanti la fase catalitica già in fase di produzione della stessa, membrane reattive con washcoating/strati porosi “asimmetrici”, ceramiche composite ad architettura tubolare e membrane a base metallica. Per tutte le membrane vi sarà anche la fase di testing. L’obiettivo, se raggiunto, aprirà la strada allo sviluppo di reattori a membrana che combinano i benefici della reazione chimica e della separazione di gas in un'unica unità, con l'ulteriore vantaggio della configurazione a fascio tubiero.

Nella produzione di membrane a scambio ionico per la produzione di energia da gradienti salini il progetto mira a superare le limitazioni attuali tramite alcune strategie: aumentare la conduttività ionica delle membrane mediante ottimizzazione dei liquidi ionici polimerizzabili (PIL), semplificare il processo di produzione rendendolo anche più ecosostenibile attraverso l’implementazione di metodi efficaci per la sintesi dei PIL e di protocolli “solvent free” o con solventi verdi per la produzione delle membrane, personalizzare le proprietà ioniche attraverso la modifica dei gruppi funzionali, ottimizzare le proprietà meccaniche, migliorare la stabilità chimica e termica delle membrane a scambio ionico. Inoltre, gli obiettivi principali della caratterizzazione avanzata delle membrane a scambio ionico includono la produzione di un set dettagliato di data sheet, che descriveranno in modo approfondito le proprietà chimico-fisiche delle membrane.

Nell’ambito dello studio dei materiali per recupero e accumulo energetico, numerose saranno le attività. In ambito di accumulo termico, il progetto vuole studiare nuovi materiali ancora poco studiati per l’accumulo stagionale, che potranno essere funzionali al progetto 1.2 una volta ottimizzati. A questo scopo si prevede lo sviluppo di nuovi materiali termochimici (TCM). In particolare, verranno sviluppati nuovi compositi a base di TCM e matrici porose ad elevata conducibilità termica, al fine di ottenere caratteristiche superiori rispetto ai materiali attualmente disponibili. I materiali studiati includeranno sali idrati non ancora studiati a fondo, che hanno mostrato promettenti densità di energia e stabilità termica. La scelta dei materiali sarà guidata anche da una analisi life cycle assessment che si prefigge di supportare con valutazioni d’impatto ambientale i risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei materiali. Inoltre, considerata la tendenza a corrosione dei metalli a contatto con questi Sali, verranno indagati dei trattamenti/rivestimenti superficiali per proteggere metalli come alluminio, che sono usati negli scambiatori. In termini di applicazioni pratiche, l’attività mira anche a testare i materiali TCM e i rivestimenti in condizioni operative, per valutarne le proprietà termo-fisiche e la stabilità.

In ambito recupero energetico di calore con materiali termoelettrici, il progetto prevede diverse linee di attività associate allo sviluppo di materiali e alla realizzazione di un dispositivo prototipale per la generazione elettrica, capace di lavorare in un range di temperature medio-basse (100°C – 400°C), che possa essere alternativo e/o complementare ai dispositivi oggi disponibili sul mercato a base di calcogenuri. L’utilizzo di materiali quali Mg3Sb2 e ZnSb e le innovative tecniche di assemblaggio individuate permetteranno di sfruttare range di temperature superiori rispetto ai moduli commerciali attuali. Tali dispositivi potranno trovare un impiego tanto direttamente in applicazioni di recupero di cascami termici industriali, quanto nell’integrazione in architetture multistage per lo sviluppo di sistemi operanti ad alti ΔT.

Infine, è considerata di cruciale interesse la possibilità di sviluppare dispositivi costituiti da materiali piezoelettrici perovskitici per il recupero energetico da vibrazioni meccaniche ambientali. Le attività proposte nel progetto si pongono l’obiettivo di sviluppare materiali e dispositivi piezoelettrici senza piombo per energy harvesting attraverso l’individuazione di protocolli di sintesi, produzione e caratterizzazione degli stessi. Obiettivo è lo studio di materiali e processi a basso impatto ambientale, dalla sintesi e scale up del processo di produzione delle polveri alla successiva produzione dell’elemento piezoceramico poroso, ed infine alla realizzazione e caratterizzazione del dispositivo finale.