Sembra quasi una favola: in un’alta torre rivestita di specchi si creano combustibili sostenibili a partire da acqua, CO2 e luce solare. Gli esperti del Fraunhofer apportano il loro know-how a questo piano in un progetto speciale. “Material Advancements for Solar Fuels Technology”, o MAfoS in breve, è il nome del progetto in cui un team di scienziati creativi del Center for High Temperature Materials and Design HTL del Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC sta sviluppando materiali avanzati per il primo impianto dimostrativo industriale dal solare ai combustibili. Insieme ai loro partner, gli esperti stanno lavorando su un concetto olistico per ridurre la CO2 e immagazzinare le energie rinnovabili nei combustibili artificiali nell’ambito del programma di finanziamento europeo Eurostars 3.
Una torre piena di energia
In effetti, esiste già un impianto pilota. È gestito dal partner del progetto Synhelion, una start-up svizzera, presso la torre solare del Centro aerospaziale tedesco (DLR) a Jülich, in Germania. In questo impianto solare-combustibile, i combustibili vengono creati da acqua e anidride carbonica o metano. Gli esperti si stanno attualmente concentrando sul cherosene. L’impianto comprende una vasta area con specchi che raccolgono la luce solare. In una torre, la luce solare viene convertita in calore, che viene convogliato attraverso un tubo alla camera del reattore. Lì i prodotti di partenza riscaldati reagiscono tra loro e formano il combustibile desiderato.
Per avviare il processo e utilizzare la torre per la produzione di combustibile, sono necessari materiali speciali per i singoli componenti. Le alte temperature in combinazione con il vapore acqueo rappresentano una sfida: nella finestra di ingresso della luce solare le temperature sono ancora relativamente moderate fino a 800°C. Nelle fasi successive del processo, la temperatura aumenta fino a 1.500°C. La selezione del materiale per queste condizioni è particolarmente impegnativa e le soluzioni progettuali sono complicate. Nuovi rivestimenti ad alte prestazioni, estremamente resistenti, dovrebbero rendere tutto ciò più semplice in futuro e offrire più opzioni ai progettisti.
Know-how sui materiali
È qui che il Fraunhofer HTL entra in gioco con la sua competenza nei materiali per costruzioni leggere e materiali resistenti alle alte temperature. Sviluppano materiali ceramici inorganici come rivestimenti protettivi per vari componenti e applicazioni future. I materiali devono soddisfare numerosi requisiti: ad esempio, è fondamentale che il rivestimento della finestra d’ingresso sia continuamente permeabile alla luce solare e resistente al vapore acqueo. Inoltre, il rivestimento deve essere adattato al coefficiente di dilatazione termica della lastra di vetro, in modo che non si sfaldi durante gli sbalzi di temperatura. Con le fasi successive del processo e il loro continuo aumento delle temperature, il rivestimento deve sempre essere adattato al corrispondente substrato portante per la dilatazione termica e allo stesso tempo essere ermetico.
Oltre a questi materiali, gli esperti del Fraunhofer stanno sviluppando anche strutture portanti in ceramica fibrorinforzata per tubi. La ceramica rinforzata con fibre è più resistente ai danni rispetto alla ceramica monolitica, ma le fibre disponibili sul mercato tollerano solo un massimo di 1.200°C. Gli scienziati del Fraunhofer HTL si sono posti l’obiettivo di raggiungere una maggiore stabilità termica e di aumentare la temperatura di applicazione delle fibre di rinforzo fino a 1.500°C.
Collaborazione di successo
I ricercatori hanno già raggiunto un primo importante traguardo: il rivestimento della finestra di ingresso della luce solare. “La sfida più grande qui era il coefficiente di dilatazione termica molto basso. Tuttavia, siamo riusciti a identificare un materiale adatto. I nostri test hanno dimostrato che è particolarmente resistente non solo al calore ma anche al vapore acqueo. Protegge il materiale sottostante ed è sufficientemente trasparente da consentire il passaggio continuo di una quantità sufficiente di luce solare”, afferma il responsabile del progetto MAfoS Jonathan Maier.
Insieme a CeraFib, un partner di progetto specializzato in materiali compositi e componenti resistenti alle alte temperature, gli esperti del Fraunhofer HTL hanno prodotto con successo anche tubi in ceramica rinforzata con fibre.
L’impianto dimostrativo industriale dal solare al combustibile di Synhelion entrerà in funzione in Germania nel 2024.
