Materiali di frontiera per usi energetici (Progetto 1.4)

Le attività proposte si inseriscono nel contesto di sviluppo che dominano la ricerca sulla tematica dell’energy harvesting a base di materiali termoelettrici ed hanno l’obiettivo di contribuire agli sforzi condotti dalla ricerca nazione ed internazione per rendere competitiva la tecnologia termoelettrica e favorirne lo sviluppo di mercato. In particolare, le attività di ricerca proposte prevedono:

• sviluppo di materiali termoelettrici rispondenti a criteri di sostenibilità ambientale ed economica (in termini di controllo della tossicità, costo e geo-disponibiltà del materiale, stabilità operativa) tramite strategie di ottimizzazione del Power Factor o miglioramento della processabilità con tecniche dal forte carattere di scalabilità industriale;
• ottimizzazione del dispositivo TEG per migliorare le prestazioni e sviluppo dei processi costruttivi con tecniche industrialmente consolidate economiche e capaci di implementare geometrie complesse per rispondere alle esigenze dei vari settori di applicazione ed assicurare un significativo sviluppo di mercato;
• ottimizzazione dell’accoppiamento del dispositivo TEG alle sorgenti termiche (massimizzazione della densità di energia) comprese quelle di concezione innovativa (ad esempio sorgenti termiche dinamiche nel caso in cui la temperatura sia modulata nel tempo oppure fisse e basate sull’accumulo energetico in materiali a cambiamento di fase per il funzionamento quasi continuo 24h/7).

• Università degli Studi di Milano-Bicocca
• Università degli Studi del Salento
• Università degli Studi di Napoli Federico II

Il WP2 intende promuovere l’uso di tecnologie innovative, sostenibili e a basso costo per il recupero di energia attraverso lo sviluppo di materiali e dispositivi piroelettrici in grado di recuperare energia dall’ambiente esterno e di accumularla. A tale scopo sarà ottimizzato il circuito di carica sfruttando anche la parte a polarità inversa del ciclo per realizzare l’accumulo di energia. I dispositivi piroelettrici verranno realizzati integrando componenti ceramici cilindrici ad elevata densità a base di Ossido di Zinco (ZnO). Allo scopo di massimizzare l’effetto piroelettrico del dispositivo, i componenti saranno realizzati a spessore sottile sia mediante pressatura convenzionale che attraverso tecnologie additive (AM), in particolare Digital Light Processing (DLP). Saranno, inoltre, sintetizzate polveri con struttura wurtzitica nanostrutturate di ZnO e di ZnO con un drogaggio inferiore al 10%. Saranno anche sviluppati e realizzati dispositivi piroelettrici a film sottile stampati a base di PVDF; allo scopo, saranno utilizzati materiali avanzati e sarà sviluppato il processo produttivo, anche mettendo a punto tecniche di poling ad hoc, validando, su scala laboratorio, l'impiego delle convenzionali tecniche di stampa nella fabbricazione industriale di futuri generatori piroelettrici. Verrà progettato e realizzato un dimostratore PENG, utilizzando i materiali piroelettrici prodotti, che consenta di estendere l’autonomia di un sistema sensore low power wireless autoalimentato.

• Università degli Studi di Roma Tor Vergata

I processi produttivi tradizionali di componenti prevedono tecnologie di tipo sottrattivo o di fonderia. L’”Additive Manufacturing” (AM) ribalta questo approccio con la realizzazione, strato dopo strato, di componenti “near-net shape”. Questo permette, sfruttando geometrie complesse e opportuni materiali, l’ottimizzazione di componenti, in particolare per applicazioni nel settore energetico. Il WP prevede l’utilizzo di tecnologie di AM per realizzare dimostratori per applicazioni in: sistemi per lo scambio di calore e impianti per la produzione di energia di piccola dimensione a partire da fonti rinnovabili. Da una parte l’attività si concentra su scambiatori di calore compatti e tubi di calore. I primi possono trovare applicazione nel settore domestico e residenziale: caldaie murali, impianti di condizionamento con macchine ad assorbimento con ciclo acqua-ammoniaca, ecc., mentre i tubi di calore consentono la dissipazione passiva del calore senza richiedere potenze aggiuntive e organi in movimento per il loro funzionamento, trovando crescente diffusione, ad esempio in centri di calcolo, storage dati etc.. L’attività prevede inoltre l’applicazione delle tecnologie additive per produrre componenti per impianti pico-idro, al fine dello sfruttamento delle risorse idriche in disuso e per impianti di tipo ORC (Ciclo Rankine a fluido Organico). Inoltre, è prevista l’implementazione di un impianto prototipo di plasma termico, e dei suoi parametri di processo, per la produzione di polveri a elevata sforidicità per l’utilizzo in processi di AM.

• Università degli Studi di Napoli Federico II
• Università degli Studi di Salerno
• Università degli Studi di Roma La Sapienza

Nell’ambito del WP4 le attività sono finalizzate allo sviluppo di una miscela ceramica (feedstock) ottimizzata per la tecnica di Additive Manufacturing (AM) Digital Light Processing (DLP) e destinata alla realizzazione di materiali ceramici per applicazioni altamente performanti nel settore dell’efficientamento energetico.

Il progetto prevede la messa a punto di un processo innovativo di formatura con tecnica DLP di componenti in ceramico avanzato. La feedstock per tale tecnica è costituita da una sospensione ceramica (slurry) fotosensibile, che verrà sviluppata con peculiari caratteristiche chimico-fisiche e reologiche, per ottimizzarne la stampabilità. Verrà inoltre messo a punto l’intero ciclo di fabbricazione fino al trattamento termico di sinterizzazione.

Verranno determinate le proprietà termo-meccaniche e chimico-fisiche del materiale realizzato mediante AM, da confrontarsi con quelle del materiale ottenuto con formatura convenzionale.

Per la verifica della stampabilità della nuova feedstock, un componente ceramico dimostrativo, quale la girante di una microturbina a gas (MTG), sarà realizzato a partire da un modello CAD di una girante commerciale. Testing sperimentali su un banco prova preliminare e lo sviluppo di un modello di simulazione consentiranno di valutare il potenziale miglioramento delle prestazioni, legato al materiale ceramico. Sulla base dei risultati ottenuti, si progetterà un banco prova specifico per una futura verifica sperimentale della microturbina ceramica.

• Università degli Studi di Bologna "Alma Mater Studiorum"

Le necessità di mercato, la sensibilizzazione pubblica e le normative in materia di protezione ambientale e sviluppo sostenibile stanno spingendo sempre di più verso l’uso di materiali e tecnologie sostenibili. In questo senso, la catalisi gioca un importante ruolo che giustifica gli sforzi profusi nello studio e sviluppo di catalizzatori per l’industria chimica, il post-trattamento dei gas di scarico e la clean energy.

Argomento di questo WP è l’elettrocatalisi e la catalisi magnetica.

La ridotta disponibilità e l’elevato costo di metalli nobili usati come catalizzatori limitano l'implementazione diffusa delle tecnologie di conversione e immagazzinamento dell'energia. Pertanto, lo sviluppo di elettrocatalizzatori economici e robusti derivati da elementi abbondanti sulla Terra è di fondamentale importanza. Tra le formulazioni utilizzabili come catalizzatori, i composti a base carbonio promettono di sostituire il Pt nel prossimo futuro. In questo WP, è prevista la preparazione e il testing di nuovi tipi di elettrocatalizzatori a base carbonio.

Inoltre le attività sperimentali del presente WP puntano allo sviluppo di catalizzatori magnetici per reazioni endotermiche ad elevata temperatura quali le reazioni di reforming del metano per la produzione di idrogeno. I processi termochimici sono alimentati mediante induzione magnetica, un metodo di riscaldamento elettrificato immediato, distribuito, ad alta efficienza utilizzabile in ambito “power-to-chemical”. I catalizzatori proposti, leghe nichel-cobalto supportate su allumina, combinano l’elevata attività catalitica del nichel nelle reazioni di reforming con l’abilità del cobalto di dissipare energia del campo magnetico anche alle temperature elevate.

• Università degli Studi del Salento
• Università degli Studi di Roma La Sapienza