ELIOSLAB

Realizzazione di un laboratorio nazionale pubblico-privato per lo sviluppo di tecnologie per l’energia solare termica ad alta temperatura presso il Centro Ricerche ENEA di Portici.

Tipologia : Attività istituzionali dell’Ente.

Responsabile/Referente : Dott. Ezio Terzini (responsabili attività tecniche: Ing. Alessandro Antonaia; Ing. Carlo Privato).

Committente : MIUR (Pratica MIUR: DM19300).

Soggetti proponenti

Pubblici:

• ENEA (Primo Proponente)
• Università degli Studi di Napoli Federico II
  Dipartimento di Energetica e TErmofluidodinamica applicata e Condizionamenti ambientali (DETEC)
• Seconda Università degli Studi di Napoli
  Dipartimento Ingegneria Aerospaziale e Meccanica (DIAM)

Privati:

• CRIS - Consorzio Ricerche Innovative per il Sud
• Angelantoni Industrie S.p.A.

Per ENEA sono coinvolti nelle attività previste dal Progetto i Centri di Ricerca di Portici (Laboratori UTTP-FOS ed UTTP-FOTO), Casaccia e Brindisi.

Descrizione dell’obiettivo finale
L’obiettivo generale del Progetto è la creazione di un laboratorio con caratteristiche di eccellenza a livello internazionale nel settore dello sviluppo di componenti, tecnologie e sistemi per la captazione e l’utilizzo dell’energia solare sottoforma di calore ad alta temperatura in accordo a quanto prescritto dal Decreto Direttoriale 14 marzo 2005 prot. n. 602/Ric/2005.

L’impegno congiunto pubblico-privato consente, attraverso la creazione di nuove attrezzature sperimentali, metodologie e competenze, di sviluppare componenti totalmente innovativi e di migliorare e ridurre i costi di produzione dei componenti e dei sistemi dei quali sia già stata dimostrata la fattibilità. In tal modo l’industria nazionale potrà raggiungere livelli adeguati di competitività in un settore proiettato ad assumere un’importanza e una rilevanza strategica sempre maggiore.

Il laboratorio è articolato in due linee distinte ma contigue, ambedue orientate allo sviluppo di sistemi di captazione, accumulo e utilizzo di energia solare: la prima a media temperatura (550 °C) finalizzata alla produzione di energia elettrica; la seconda ad alta temperatura (> 800 °C) per la produzione di idrogeno. L’articolazione delle due linee di attività, suddivise secondo nuclei di competenza specifici, è riportata nello schema seguente:

Al progetto scientifico è inoltre abbinato a un progetto di formazione per 17 giovani ricercatori, al fine di creare un patrimonio nazionale di elevate competenze tecnico-scientifiche nel settore. Grazie al progetto di formazione sono stati selezionati 17 giovani laureati (in discipline tecnico-scientifiche) dotati di un brillante curriculum e interessati ad acquisire conoscenze nel campo delle energie alternative e delle nuove tecnologie. Le attività di formazione sono finalizzate allo sviluppo di competenze specifiche nei settori considerati dal progetto di ricerca e prevedono anche lo sviluppo di competenze inerenti le problematiche di gestione di impresa, con particolare riferimento alle attività di ricerca e di trasferimento di tecnologie.

Linea di attività a media temperatura - Principali problematiche di R&S in carico al Laboratorio UTTP-FOS

Ricevitori per collettori parabolici lineari

In un impianto solare termodinamico per la produzione di energia elettrica, un elemento essenziale del campo solare è rappresentato dal tubo ricevitore. Esso rappresenta l’elemento che, posizionato sulla linea focale degli specchi parabolici, deve essere in grado di assorbire con la massima efficacia la radiazione solare, trasferire il calore al fluido di scambio che lo attraversa e minimizzare le perdite termiche verso l’esterno.

Il tubo ricevitore è costituito da un tubo d’acciaio, sulla cui superficie esterna è riportato un coating ad alta efficienza fototermica, in grado di assorbire e trasmettere ad un fluido termovettore l’energia solare concentrata dagli specchi parabolici. L’involucro esterno del tubo ricevitore è costituito da un tubo di vetro borosilicato, coassiale con il tubo d’acciaio, che ha la funzione di proteggere sotto vuoto il coating, riducendo al minimo lo scambio termico con l’ambiente esterno. Il tubo di vetro è collegato a quello di acciaio tramite due giunzioni vetro-metallo e a due soffietti di compensazione delle dilatazioni termiche differenziali esistenti fra i due tubi coassiali.

Per quanto riguarda le problematiche di R&S esse possono essere raggruppate in due categorie: gli aspetti relativi ai rivestimenti selettivi e gli aspetti relativi agli altri elementi costituenti il tubo nella sua interezza. Il Laboratorio UTTP-FOS è impegnato sulle attività concernenti i rivestimenti selettivi.

Il rivestimento selettivo

I materiali adatti all’impiego come rivestimenti superficiali del tubo ricevitore sono quelli che si comportano in maniera selettiva nei confronti della radiazione incidente, cioè quei materiali le cui proprietà ottiche di riflettanza, assorbanza ed emissività emisferica si modificano apprezzabilmente con la lunghezza d’onda della radiazione passando dalla zona d’irradianza dello spettro solare alla zona dell’infrarosso termico. Il rivestimento da realizzare deve avere un comportamento quanto più prossimo a quello ideale cioè riflettanza nulla (assorbanza unitaria) nella regione spettrale della radiazione solare e riflettanza unitaria (assorbanza ed emissività nulle) nella regione dell’infrarosso termico con un passaggio a gradino tra le due regioni.

Generalmente il materiale assorbente ed otticamente selettivo è ottenuto tramite una stratificazione di differenti materiali fabbricati come film sottili. Il metodo per fabbricare tale stratificazione rappresenta uno dei segmenti più impegnativi dell’intero quadro progettuale, tecnologico ed industriale per la realizzazione degli impianti solari termodinamici. Da questo punto di vista, acquisire le competenze e la tecnologia per la realizzazione del materiale assorbente ed otticamente selettivo è un elemento altamente strategico per lo sviluppo e la realizzazione di impianti solari.

I materiali generalmente utilizzati come assorbitori solari sono: gli ossidi metallici neri (cromo nero, nichel nero), i metalli porosi, i semiconduttori degeneri e i “CERMET”, che sono materiali compositi ceramico-metallici dove cluister metallici sono dispersi in una matrice ceramica. Oggi, sia per ottenere efficienze spinte sia per avere elementi stabili nel tempo, chiunque produca un progetto d’impianto solare termodinamico a media-alta temperatura, non può prescindere da un tubo ricevitore che utilizzi un materiale assorbente ed otticamente selettivo a base di strati CERMET. I principali impianti solari termodinamici attualmente operanti lavorano con un fluido di scambio (olio) che non può superare i 400 °C. Di conseguenza, questi impianti hanno una limitazione nella temperatura massima di uscita del fluido di scambio. I tubi ricevitori disponibili sul mercato non possono superare queste temperature massime. Differentemente, il Progetto ENEA, utilizzando come fluido di scambio una miscela i Sali fusi, prevede temperature massime operative ben più alte (550 °C); a queste condizioni operative, le nostre simulazioni prevedono che la superficie del tubo ricevitore raggiunga una temperatura massima di 580 °C. Di conseguenza, il materiale assorbente ed otticamente selettivo da utilizzare in questo tipo di impianto lavora in condizioni estreme e deve possedere le seguenti caratteristiche:

• alta efficienza foto-termica, cioè alta assorbanza solare e bassa emissività nell’intervallo di temperatura da 300 °C a 580 °C;
• alta stabilità chimico-strutturale fino alla temperatura di 580 °C.

L’ENEA è già proprietaria di una serie di brevetti, riguardanti la composizione degli strati e le tecniche di deposizione, per la fabbricazione di coating spettralmente selettivi di impiego solare, con particolare riguardo alla realizzazione di tubi ricevitori operanti ad alta temperatura (550 °C). Le innovazioni che comunque si ritengono ancora indispensabili sono relative alla riduzione dei costi di deposizione dei rivestimenti, in genere ottenibile mediante processi di deposizione più veloci (processi reattivi), e alla individuazione di materiali e processi che possano coprire un più ampio range di applicazioni in modo da poter prefigurare mercati potenziali più vasti. In quest’ottica, è di fondamentale importanza sviluppare processi e progettare impianti di sputtering in grado di fabbricare coating spettralmente selettivi di alta qualità e basso costo sia per impieghi ad alta temperatura sia per impieghi ad una temperatura inferiore.

Linea di attività a media temperatura – Obbiettivi ed attività in carico al Laboratorio UTTP-FOS

Il progetto Elioslab si articola in una serie di Obiettivi Realizzativi (OR) ed Attività di Ricerca Industriale (RI); di seguito gli OR e le relative RI in carico al laboratorio UITTP-FOS.

OR 1: Sviluppo di materiali CERMET di nuova composizione per la realizzazione di coating spettralmente selettivi e relative tecnologie di produzione. Progettazione preliminare di apparati di sputtering reattivi - Fino ad oggi, nell’ambito del Progetto Solare Termodinamico ENEA, si è puntato alla ottimizzazione e fabbricazione di coating spettralmente selettivi utilizzando la tecnologia più consolidata, secondo la quale i metalli vengono prodotti con tecnica di sputtering DC Magnetron e le ceramiche con tecnica di sputtering RF Magnetron. Quest’ultimo processo ha velocità di deposito molto bassa e costo abbastanza sostenuto. Al fine di ottenere materiali a più basso costo, è opportuno ed indispensabile muoversi verso processi più veloci e con costi d’impianto più bassi, quali sono i processi di sputtering reattivo. Va tuttavia segnalato che questo tipo di processi necessita di una ulteriore fase di ricerca e sviluppo per l’ottenimento di materiali con caratteristiche ad hoc, nella fattispecie per l’ottenimento di materiali CERMET utili all’impiego in stratificazioni di coating spettralmente selettivi. In questo obiettivo realizzativo si sviluppano ricette innovative variando il numero degli strati, la loro composizione e le tecnologie di deposizione al fine di avere coating con caratteristiche fototermiche superiori a quelle già ottenute con le ricerche pregresse e con maggiore stabilità, sia sotto vuoto che in presenza di aria, e/o maggiore velocità di produzione.

Le attività di ricerca industriale che si perseguono in questo ambito sono:

• RI 1.1: Sviluppo di nuove ricette per la realizzazione di materiali di rivestimento per tubi ricevitori dotati di una maggiore stabilità strutturale e meccanica in tutto l’intervallo di temperatura di funzionamento pur conservando elevate prestazioni fototermiche compatibili con alte velocità di deposizione.
• RI 1.2: Impianti di sputtering per la deposizione di coating spettralmente selettivi per tubi ricevitori: stato dell’arte ed analisi critica. Ideazione d’impianti innovativi.
• RI 1.3: Progetto preliminare per un impianto industriale di sputtering di tipo reattivo, con caratteristiche di flessibilità (possibilità di trattare tubi substrato di dimensioni diverse) e di basso costo produttivo.

OR 2: Progettazione esecutiva e realizzazione di una macchina di sputtering per processi reattivi - Le tecnologie di sputtering non reattive, quelle sulle quali è stata principalmente concentrata l’attività di ricerca e sviluppo dell’ENEA, consentono la realizzazione di coating con eccellenti prestazioni fototermiche ma con basse velocità di deposizione. Viceversa gli apparati di sputtering di tipo reattivo, pur essendo più difficilmente “regolabili”, permettono alti rate di deposizione e conseguentemente maggiore produttività. Nell’obiettivo è prevista la progettazione e la realizzazione di una macchina di piccole dimensioni per l’ottimizzazione dei parametri di processo per la tecnologia reattiva. In tale macchina, realizzata in modo da lasciare ampia flessibilità, è previsto che sia possibile variare diversi parametri ed individuare le configurazioni con i migliori risultati. Le attività di ricerca industriale che si perseguono in questo ambito sono:

• RI 2.1: Sviluppo del progetto e realizzazione di un sistema di sputtering, in scala ridotta, per processi reattivi, con una impostazione di tipo sperimentale ma di filosofia funzionale di tipo industriale con elementi di flessibilità e di basso costo produttivo.
• RI 2.2: Messa a punto dei processi e dei materiali per ottenere rate di deposizione idonei per un’alta capacità produttiva ed elevata efficienza fototermica.