Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile
Materiali e dispositivi di frontiera per applicazioni energetiche (Progetto 1.4)
Responsabile Scientifico del Progetto:
Daniele Mirabile Gattia
(
Piano Triennale di realizzazione 2025-2027
Il progetto 1.4, che prevede lo sviluppo di materiali innovativi per applicazioni nel campo energetico, è strutturato in cinque Work Package, focalizzati sui materiali, compositi, metallici e ceramici, per processi di manifattura additiva, WP1 e WP2, catalizzatori innovativi, WP3, e materiali e componenti per il settore eolico, WP4 e WP5. I processi di Additive Manufacturing (AM) ribaltano l’approccio produttivo convenzionale, basato generalmente su metodi sottrattivi e di fonderia, con potenziali benefici per il settore produttivo e con ricadute nei diversi settori, in particolare quello energetico.
WP1 - Sviluppo di materiali innovativi metallici e compositi e realizzazione di componenti mediante AM per processi di produzione di energia e per scambio termico
Referente scientifico del WP: Daniele Mirabile Gattia (
All’interno del WP1 vengono sviluppati materiali innovativi, sia metallici che compositi, per tecnologie additive. Inoltre verranno realizzati, mediante questi processi, componenti per applicazioni nel settore energetico, quali lo scambio termico e la generazione di energia. L’additive manufacturing (AM) stravolge l’approccio produttivo tradizionale, sottrattivo o di fonderia, mediante la produzione strato dopo strato dei componenti “near net shape”.
All’interno del WP1 è infatti previsto lo sviluppo di una lega ferritica per la realizzazione di scambiatori di calore mediante tecnologie additive a letto di polvere. Verrà inoltre studiato il comportamento alla corrosione di campioni stampati in lega ferritica e in lega di titanio, in ambienti corrosivi alcalini, presente in macchine ad assorbimento a ciclo acqua/ammoniaca. Nel WP1 è previsto lo sviluppo anche di nuovi materiali utilizzando tecnologie innovative di atomizzazione, quali quelle del plasma termico, con il miglioramento della produttività di processo. Verranno sviluppati materiali di prova avanzati, per processi additivi, ottimizzati per processi elettrochimici sostenibili. I test finali valuteranno l’efficienza e la stabilità dei materiali di prova, con particolare attenzione alla riduzione elettrochimica della CO2 in etilene e/o etanolo. Nell’ambito della produzione di energia inoltre verranno sviluppate e realizzate, mediante additive manufacturing, turbine per impianti di tipo Organic Rankine Cycle (ORC) e pico-idroelettrico.
WP2 - Sviluppo di materiali e componenti ceramici mediante tecniche di additive manufacturing per l’incremento dell’efficienza in sistemi per la produzione di energia quali le microturbine a gas
Referente scientifico del WP: Francesca Mazzanti (
L’obiettivo principale del WP2 è la realizzazione di un recuperatore ceramico prototipale per microturbine a gas (MTG) mediante tecniche di Additive Manufacturing (AM).
L’uso dei materiali ceramici nelle MTG consente di incrementare le temperature di esercizio rispetto ai metalli normalmente impiegati, ottenendo così una maggiore efficienza energetica. L’utilizzo di una girante in materiale ceramico permette, infatti, di incrementare le temperature di ingresso in turbina, e conseguentemente la sua efficienza. Tuttavia, l’aumento di efficienza complessiva della MTG risulterebbe limitato senza un adeguato incremento della capacità di scambio termico del recuperatore. La combinazione di girante e recuperatore ceramici permette di sfruttare al massimo le potenzialità della tecnologia, incrementando la resistenza alle alte temperature e il rendimento globale della microturbina. Il WP2 punta quindi a sviluppare un recuperatore termico avanzato realizzato mediante AM che, grazie al design ottimizzato e a geometrie ad ampia superficie di scambio, migliori l’efficienza termica e contribuisca alla riduzione dei costi energetici.
Gli obiettivi scientifici e tecnologici del WP2 comprendono la definizione di formulazioni innovative di feedstock ceramiche specificamente progettate per la stampa 3D, l’ottimizzazione del processo di fabbricazione e la realizzazione di un recuperatore termico ceramico dimostrativo con geometria complessa, non realizzabile con tecniche sottrattive.
WP3 - Sviluppo di catalizzatori per applicazioni energetiche
Referente scientifico del WP: M. Federica De Riccardis (
Le attività del WP3 sono dedicate allo sviluppo di catalizzatori di due tipologie: (i) catalizzatori per la cattura e l’uso integrato della CO2 (ICCU), (ii) catalizzatori magnetici aventi la funzione di agenti riscaldanti e catalizzatori per le reazioni di reforming.
I materiali per la ICCU avranno composizione e struttura tali da fungere sia da adsorbitori che da catalizzatori. Questo comporta il grande vantaggio di non aver necessità di tecnologie di stoccaggio e trasporto della CO2 per il suo uso successivo. Le sfide aperte sono molteplici: studiare ed individuare la struttura e la composizione più efficiente, individuare una procedura di preparazione scalabile e senza l’uso di precursori tossici, verificare la capacità e le condizioni operative, verificare la stabilità del materiale, individuare la reazione per la quale sono più efficienti.
Altro obiettivo è lo sviluppo di materiali avanzati finalizzati alla realizzazione di un reattore chimico ultracompatto per la produzione distribuita ed elettrificata di syngas. A questo scopo catalizzatori magnetici saranno accoppiati a supporti realizzati per AM. In questo modo sarà possibile progettare e fabbricare strutture porose complesse, con un elevato caricamento di specie attive. Inoltre, tali strutture permettono di modulare il flusso di gas verso la modalità turbolenta, migliorando la produttività del processo chimico. L’impiego degli scaffold ottenuti tramite AM consente di ottimizzare il riempimento del reattore.
WP4 - Materiali compositi per componenti strutturali di turbine eoliche ad efficienza e durata migliorata
Referente scientifico del WP: Barbara Palazzo (
Il WP4 nasce da una domanda chiave: come rendere l’energia del vento più efficiente, circolare e resiliente? Per rispondere, la ricerca si concentrerà sullo sviluppo di materiali innovativi, progettati ad hoc per componenti strategici della turbina, con l’obiettivo di migliorarne prestazioni, durabilità e sostenibilità.
Da un lato, si studieranno strutture di rinforzo ecosostenibili, basate su fibre vegetali e fibre di carbonio da riciclo, per alleggerire le pale e aumentare l’efficienza della turbina. Dall’altro, in collaborazione con l’Università del Salento, si sperimenteranno resine vitrimeriche, materiali in grado di combinare la riciclabilità e la lavorabilità dei termoplastici con la stabilità e le prestazioni meccaniche dei termoindurenti. I compositi realizzati con queste matrici e rinforzi, potrebbero permettere riparazioni e/o riutilizzo del componente senza separare le fasi, semplicemente tramite calore e rimodellamento. Il WP4 guarderà anche alla protezione, mediante rivestimenti avanzati per contrastare l’erosione, prolungare la vita utile delle pale e mantenerne l’efficienza. Infine, si studieranno processi di riciclo per dare nuova vita sia ai materiali attualmente utilizzati sia ai compositi innovativi sviluppati nel WP.
Il potenziale del WP è quello di contribuire a ridurre l’uso di materiali critici, alleggerire le pale, aumentare la produttività delle turbine e aprire la strada a un futuro in cui manutenzione e riciclo diventino parte integrante della progettazione.
WP5 - Componenti, dispositivi e sistemi per il settore eolico offshore
Referente scientifico del WP: Antonio Donatelli (
Nell’ambito del WP5, le attività proposte consentiranno il conseguimento di progressi tecnologici, economici e ambientali di alcuni componenti chiave della tecnologia eolica offshore:
Pale eoliche: sviluppo di soluzioni innovative basate su un approccio di ecodesign per la produzione di pale eoliche a estesa durabilità, che impiegano polimeri termoplastici rinforzati con fibre naturali e fanno ricorso a processi di manifattura additiva;
Componenti metallici: sviluppo di nuove formulazioni di rivestimenti protettivi impieganti nano cariche di natura inorganica per la protezione di componenti metallici della turbina dall’azione aggressiva congiunta dell’esposizione a raggi UV e dell’ambiente salino;
Supercapacitori: sviluppo di elettrodi e configurazione elettrodica in grado di massimizzare le potenzialità capacitive di supercapacitori e incrementare la vita utile dei sistemi di accumulo a batteria. Contestuale miglioramento delle prestazioni in termini di gestione delle fluttuazioni di energia prodotte.
Data la natura di innovatività dell’impiego della tecnologia eolica offshore nel bacino del Mediterraneo, tali sviluppi saranno integrati da:
- un’analisi del ciclo di vita dei materiali e processi innovativi investigati;
- un’analisi di scale-up tecnologico, che permetterà di modellare la transizione dai prototipi di laboratorio alla produzione industriale;
- una valutazione dell’integrazione nella metodologia LCA degli impatti degli impianti eolici offshore sulla biodiversità e sui servizi ecosistemici nel bacino del Mediterraneo;
- una valutazione dei potenziali impatti sociali lungo l’intero ciclo di vita delle tecnologie sviluppate.