SUPERSOLAR

Assorbitori ceramici ultra-refrattari per generazione di energia dal solare termodinamico ad altissima temperatura

Responsabili: Laura Silvestroni, Diletta Sciti

Personale coinvolto: Luca Zoli, Daniele Dalle Fabbriche, Cesare Melandri

Data di inizio: 01/03/2013
Durata: 36 mesi
Finanziamento totale: 897.792 €
Bando: Futuro in Ricerca, FIRB 2012
Azione:
Coordinatore: Laura Silvestroni (CNR-ISTEC)
Consorzio: Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO), Università di Cagliari (UNICA)
Sito web ufficiale: https://lucamerca.wixsite.com/supersolar

Il solare termodinamico è una tecnologia per la produzione di energia sicura, sostenibile e a basso costo. Attualmente, la massima temperatura di esercizio di un impianto solare è minore di 800 K, a causa del rapido degrado dei suoi componenti. D’altra parte, l’efficienza degli impianti termici aumenta rapidamente al crescere delle temperature di esercizio e la sfida tecnologica dei sistemi attuali è quella di rendere stabile il ricevitore fino ad alta temperatura in modo da aumentare l’efficienza del sistema.

Lo scopo del progetto SUPERSOLAR (FIRB 2012 – RBFR12TIT1) è la ricerca di base e lo sviluppo di materiali ceramici da impiegare come assorbitori solari a temperature fino a 1200 K. Tali materiali devono resistere al degrado in aria a temperature molto elevate, pur mantenendo una buona conduttività termica e opportune proprietà radiative.

I materiali noti come Ultra-High Temperature Ceramics (UHTCs), ossia boruri e carburi di zirconio, afnio e tantalio (ZrB₂, ZrC, HfB2, HfC, TaB₂, TaC) sono considerati materiali emergenti per applicazioni in campo aerospaziale e per sistemi avanzati di produzione dell’energia (turbine, combustori, reattori per fusione nucleare, componenti per propulsori). Il crescente interesse è dovuto alla combinazione unica di proprietà, quali punti di fusione elevatissimi che sfiorano i 4200K, elevata resistenza meccanica, alte conduttività termica ed elettrica e notevole stabilità chimica. Studi recenti indicano che molti dei composti appartenenti a questa classe hanno anche la capacità di assorbire in modo selettivo la radiazione solare, ma la conoscenza delle loro proprietà ottiche è ancora molto limitata, specialmente ad alta temperatura.
I materiali UHTC hanno quindi una serie di caratteristiche che li rende particolarmente promettenti per applicazioni come ricevitori solari ad alta temperatura. Il progetto SUPERSOLAR prevede lo sviluppo di materiali UHTC e lo studio delle loro proprietà fondamentali. La ricerca è focalizzata principalmente sullo studio dell’assorbimento di luce ed emissione sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura e la loro correlazione con le caratteristiche del materiale (composizione, porosità, finitura superficiale, etc.). Inoltre verranno studiate le proprietà termo-meccaniche di interesse per l’applicazione, quali resistenza meccanica a temperatura ambiente e ad alta temperatura, conduttività termica, resistenza ad ossidazione e a shock termico.

Pubblicazioni e brevetti

• Sciti D., Silvestroni L., Mercatelli L., Sans J.-L., Sani E., Suitability of ultra-refractory diboride ceramics as absorbers for solar energy applications, Solar Energy Materials and Solar Cells, 109 (2013), 8-13
• Mercatelli L., Sani E., Jafrancesco D., Sansoni P., Fontani D., Meucci M., Coraggia S., Marconi L., Sans J-L., Beche E., Silvestroni L. and Sciti D., Ultra-Refractory Diboride Ceramics For Solar Plant Receivers, Proceedings of SolarPACES 2013, sept 2013, Las Vegas, USA
• Sani E., Mercatelli L., Sans J-L., Silvestroni L., Sciti D., Porous and dense hafnium and zirconium ultra-high temperature ceramics for solar receivers, Optical Materials, 36 (2) (2013) , 163-168
• Sciti D., Silvestroni L., Sans J-L., Mercatelli L., Meucci M., Sani E., Tantalum diboride-based ceramics for bulk solar absorbers, Solar Energy Materials And Solar Cells, 130 (2014), 208-216
• Sani E., Meucci M., Mercatelli L., Jafrancesco D., Sans J-L., Silvestroni L., Sciti D., Optical properties of boride ultrahigh-temperature ceramics for solar thermal absorbers, Journal of Photonics For Energy, 4 (2014), 045599-1-8
• Sani E., Mercatelli L., Sans J-L., Sciti D., Optical properties of black and white ZrO2 for solar receiver applications, Solar Energy Materials and Solar Cells, 140 (2015), 477-482
• Sani E., Mercatelli L., Meucci M., Balbo A., Silvestroni L., Sciti D., Compositional dependence of optical properties of zirconium, hafnium and tantalum carbides for solar absorber applications, Solar Energy, 131 (2016), 199-207
• Sani E., Mercatelli L., Meucci M., Silvestroni L., Balbo A., Sciti D., Process and composition dependence of optical properties of zirconium, hafnium and tantalum borides for solar receiver applications, Solar Energy Materials and Solar Cells, 155 (2016), 368-377
• Musa C., Licheri R., Orrù R., Cao G., Sciti D., Silvestroni L., Zoli L., Balbo A., Mercatelli L., Meucci M., Sani E., Processing, mechanical and optical properties of additive-free ZrC ceramics prepared by spark plasma sintering, Materials, 9 (6) (2016), 489
• D.M. Trucchi, A. Bellucci, M. Girolami, P. Calvani, E. Cappelli, S. Orlando, R. Polini, L. Silvestroni, D. Sciti, A. Kribus, “Solar Thermionic-Thermoelectric Generator (ST2G): concept, material engineering, and prototype demonstration”, Advanced Energy Materials (2018) 1802310.
• R. Licheri, C. Musa, A.M. Locci, S. Montinaro, R. Orrù1, G. Cao, L. Silvestroni, D. Sciti, N. Azzali, L. Mercatelli, E. Sani, “Ultra-High temperature Porous Graded Ceramics for Solar Energy Applications”, Journal of the European Ceramic Society, 39 [1] 72-78 (2019).
• L. Silvestroni, D. Sciti, A. Balbo, R. Licheri, C. Musa, R. Orrù, G. Cao, L. Mercatelli, N. Azzali, E. Sani, “An overview of ultra-refractory ceramic absorbers for thermodynamic solar energy generation at high temperature”, Renewable Energy 133 (2019) 1257-1267.