TUBOSOL

Tipologia : Attività istituzionali dell’Ente.

Responsabile/Referente per l’ENEA : Ing. Antonio De Luca.

Committente : MISE (DM 00015EE01).

Soggetti proponenti

Pubblici:

• ENEA

Privati:

• Archimede Solar Energy S.r.l. (Primo Proponente)
• Saes Getters S.p.A.
• Centro Sviluppo Materiali S.p.A.
• Kenosistec S.r.l.
• Polo S.r.l.
• Robotecnica S.r.l.
• Meccanotecnica Umbra S.p.A.

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

Descrizione del Programma
La tecnologia del solare termodinamico potrà giocare nei prossimi decenni un ruolo fondamentale nella produzione energetica mondiale, sfruttando calore ad alta temperatura da fonte solare per produrre quantità significative di elettricità, tramite conversione termodinamica, con cicli completamente rinnovabili e senza emissione di gas serra, a costi competitivi. L’interesse verso tale tecnologia è attualmente particolarmente vivo visto che: il costo dei carburanti fossili che sta aumentando come non era mai avvenuto nel passato e la tendenza non si invertirà nei prossimi anni; l’avvicinamento (Dicembre 2007) degli USA alle posizioni UE in termini di emissioni inquinanti porterà a percorrere sempre più la strada delle fonti rinnovabili e quindi a ridurre la produzione di energia elettrica con fonti fossili o comunque tali da produrre CO₂ (attualmente i diritti di emissione si pagano a circa 30 euro/tonn). Il potenziale teorico disponibile nei paesi della “fascia solare” (sun-belt) sembrerebbe ampiamente sufficiente per assicurare un contributo significativo alla copertura del fabbisogno mondiale prevedibile; fra questi, i paesi che si affacciano sulla sponda sud del Mediterraneo e del vicino Oriente dispongono di potenzialità notevolissime, con costi di produzione dell’energia sensibilmente inferiori rispetto a quanto conseguibile nel Nord-Europa. Nell’ottica di sfruttare tutto il potenziale termico disponibile, il presente programma di R&S si propone di studiare la fattibilità tecnica, di progettare, realizzare e verificare una nuova generazione di tubi ricevitori dell’energia solare per impianti solari termodinamici, dal costo competitivo, altamente efficienti ed affidabili per impianti solari a concentrazione, funzionali all’industrializzazione di tecnologie innovative per la generazione di energia da fonte solare a media ed alta temperatura ad elevata efficienza.

Il tubo ricevitore è l’elemento più delicato della tecnologia solare, perché deve garantire nel tempo un alto coefficiente di assorbimento dell’energia concentrata dagli specchi parabolici limitando al massimo le perdite per irraggiamento verso l’ambiente. Questo progetto ricerca e sperimenta inedite soluzioni tecnologiche di prodotto finalizzate a migliore le prestazioni anche a temperature di esercizio intorno ai 600°C per poter sfruttare fluidi termovettori molto promettenti sia dal punto di vista energetico-ambientale che industriale (sali fusi, gas, generazione diretta di vapore).

Contestualmente il programma si propone di affrontare e risolvere le problematiche relative alla produzione di tale componente, scalabile a livello industriale, in modo da definire, sviluppare, sperimentare e testare l’affidabilità dei processi di produzione più idonei per il successivo sfruttamento industriale; a tale proposito, il brevetto depositato dall’ENEA sui processi reattivi in ambiente d’azoto per realizzare coating spettralmente selettivi risponde bene a tale esigenza di ottimizzare processi, materiali e coating depositati mediante la tecnica dello sputtering reattivo in ambiente d’azoto. Tale brevetto ENEA sui processi reattivi per la fabbricazione di CERMET del tipo MN-AlN (dove M è un metallo di transizione quale W, Ti, Zr, Mo, ecc.) viene incontro all’esigenza di elevata produttività ad un basso costo. Utilizzare l’azoto, in sostituzione dell’ossigeno, come gas reattivo per l’ottenimento di strati CERMET è un’idea fortemente innovativa se associata all’utilizzo di alcuni metalli di transizione i cui nitruri continuano ad avere spiccate proprietà metalliche rendendo più agevole il processo di co-sputtering reattivo a partire da due target metallici.

La riduzione dei costi di fabbricazione congiuntamente all’elevata affidabilità della giunzione vetro-metallo, consente di ottenere una elevata efficienza energetica del “TUBOSOL” che lo rende indispensabile nella costruzione di centrali solari in grado di produrre energia elettrica a costi competitivi.

Principali problematiche di R&S in carico al Laboratorio UTTP-FOS
Il tubo ricevitore è, tra i componenti costituenti un impianto solare termodinamico ad alta temperatura, senza dubbio quello più importante e sicuramente uno fra quelli a più alta tecnologia. Il tubo ricevitore è costituito da due tubi coassiali, d’acciaio e di vetro, separati da un’intercapedine sottovuoto che ha la funzione di proteggere dall’ossidazione il coating assorbente e fare da isolante termico, riducendo lo scambio di calore con l’esterno al solo contributo dovuto all’irraggiamento. Molte sono le problematiche che devono essere superate per rendere disponibile sul mercato mondiale un tubo che, garantendo massima versatilità d’utilizzo con fluidi termovettori differenti, ampio range di temperature d’esercizio, elevate caratteristiche fototermiche e termomeccaniche, costi ridotti, si ponga come pietra miliare di una nuova filosofia di costruzione degli impianti solari termodinamici.

Relativamente alla nuova generazione del tubo ricevitore si può dire che il concept design rimane sostanzialmente definito, come rimane definita la posizione sulla linea focale degli specchi parabolici dell’impianto solare termodinamico. Un tubo d’acciaio assorbe l’energia solare grazie al rivestimento esterno a tecnologia cermet applicato sulla sua superficie del tubo di acciaio ed è in grado di assicurare il massimo assorbimento di energia raggiante nello spettro solare e la minima emissione di calore nell’infrarosso, consentendo di raggiungere elevate temperature di esercizio. Il fluido termovettore circola all’interno del tubo d’acciaio ed assorbe il calore trasferito per conduzione dalla parete esterna a quella interna del tubo di acciaio. Il tubo esterno di vetro, ha la funzione d’involucro protettivo del rivestimento solare spettralmente selettivo ed è collegato al tubo d’acciaio attraverso due giunzioni vetro-metallo e due soffietti di compensazione delle dilatazioni termiche differenziali. All’interno della cavità sotto vuoto, sotto le giunzioni vetro-metallo, è inserito un quantitativo opportuno di materiale getter, necessario ad assorbire i gas che si accumulano per effetto del rientro d’aria nella cavità (leakage) o per il degassamento delle superfici d’acciaio e di vetro generato dall’elevata temperatura di esercizio.

Oggi, alcuni gruppi qualificati di ricerca in Europa studiano impianti solari innovativi, basati sull’uso di collettori a concentrazione che utilizzano varie tipologie di fluido termovettore.

L’obiettivo ambizioso che si propone il Programma di R&S è quello di definire un nuovo tubo ricevitore idoneo a differenti campi di applicazione:

• collettori a sali fusi per temperature di esercizio superiori a quelle attuali;
• collettori ad olio diatermico;
• collettori a gas;
• collettori per la generazione diretta di vapore.

Il processo costruttivo dovrà essere sviluppato in modo da realizzare tubi ricevitori a costi tali da rendere competitivo tutto il settore degli impianti solari termodinamici e consentirne, quindi, una più ampia diffusione.

In particolare, relativamente al rivestimento del tubo ricevitore ed alla nuova macchina di sputtering per realizzarlo occorre evidenziare che esso è un punto strategico fondamentale. Tale rivestimento spettralmente selettivo è a base di strati sottili di materiale composito metallico-ceramico (CERMET) caratterizzato da una elevata assorbanza della radiazione solare ed una bassa emissività di calore nell’infrarosso, depositati con tecniche di sputtering in impianti da vuoto. Le problematiche tecnico-scientifiche riguardano:

• La definizione dei materiali, costituenti la stratificazione del coating spettralmente selettivo, da realizzare mediante processi di sputtering innovativi controllabili, ripetibili, veloci e facilmente implementabili con impianti industriali dedicati ad elevata produttività.
• La messa a punto di un rivestimento di caratteristiche superiori rispetto a quelle dei prodotti di riferimento presenti sul mercato, in termini di efficienza foto-termica e stabilità chimico-strutturale ad alta temperatura con differente fluido termovettore, fermo restando l’alta produttività. Da questo punto di vista l’ENEA è proprietaria di un brevetto pensato proprio per raggiungere caratteristiche di prodotto molto spinte, con materiali cermet realizzabili con processi di sputtering reattivi e dunque ad alta velocità di deposito.
• Una strada molto promettente per ottenere elevate produttività e quindi un prodotto dal costo competitivo, è l’adozione d’impianti di sputtering reattivo equipaggiati con “catodi lunghi” (lunghezza superiore a quella del tubo-substrato). La “tecnologia dei catodi lunghi” comporta però serie problematiche in termini di uniformità di deposito su tutta la lunghezza del substrato e di controllo e ripetibilità del processo, problematiche che si riflettono nella necessità della messa a punto di processi reattivi sviluppati ad hoc per catodi lunghi e plasma di grandi dimensioni. In particolare una macchina che preveda catodi lunghi ed un processo reattivo richiede, tra l’altro, un approfondito studio del sistema più idoneo per l’immissione di gas ed un pompaggio fortemente equilibrato per ottenere flussi e pressioni controllabili ed uniformi. Proprio per approfondire e risolvere queste problematiche sarà condotta un’intensa attività di ricerca che, avvalendosi di un opportuna “camera di prova” appositamente progettata e realizzata, metta in evidenza la possibilità e la convenienza di adottare la tecnologia dei catodi lunghi, del tipo Planar o Rotable Dual Magnetron.
• Si condurrà anche un’intensa attività di ricerca per individuare un’alternativa efficiente alla tecnologia di deposizione reattiva Dual Magnetron: a tale proposito si realizzerà una camera di prova per sperimentare la tecnica di deposizione di sputtering reattivo “MetaMode”. Questa tecnica di deposizione potrebbe rivelarsi più efficiente e tecnologicamente più semplice della tecnologia Dual Magnetron per realizzare i materiali del coating.
• I risultati di queste attività si rifletteranno direttamente sul lavoro di ideazione, progettazione e costruzione di un impianto industriale di sputtering di nuova generazione specializzato per la deposizione di coating spettralmente selettivi su tubi ricevitori, caratterizzato da alta produttività, alta qualità di prodotto (coating), ottima riproducibilità e basso costo. Tale impianto sarà approvvigionato da Archimede Solar Energy,  Primo Proponente del Progetto.

Pacchi di Lavoro in carico al Laboratorio UTTP-FOS

Il progetto Tubosol è strutturato in Pacchi di Laboro (PL); i Pacchi di Lavoro in carico al Laboratorio UTTP-FOS sono di seguito riportati:

PL 15: Definizione delle specifiche del tubo-substrato di acciaio per la deposizione del coating spettralmente selettivo.

PL 16: Definizione dei materiali e dei metodi di deposizione per coating innovativi.

PL 17: Definizione di una camera di prova per sperimentare la tecnica di deposizione MetaMode.

PL 18: Progettazione esecutiva di una camera di prova MetaMode.

PL 21: Ottimizzazione dei materiali depositati con la tecnica di sputtering reattivo Dual-Magnetron.

PL 22: Concept design di un impianto industriale di sputtering di nuova generazione.

PL 25: Ottimizzazione dei processi e delle ricette per la deposizione del coating sull'impianto industriale.