Tecnologie innovative per la conversione di energia solare concentrata al CNR

Il solare a concentrazione è un settore di enorme interesse scientifico e industriale, in cui la conversione di energia avviene esclusivamente mediante noti cicli termodinamici innescati da fluidi per il trasferimento dell’energia termica.

Numerosi tentativi sono stati perseguiti per integrare la tecnologia fotovoltaica in sistemi solari a concentrazione (CPV – Concentrated PhotoVoltaics), poiché si è dimostrato che l’efficienza di conversione è proporzionale al logaritmo naturale del flusso di radiazione incidente. Questi tentativi di integrazione hanno innescato progressi interessanti soprattutto in termini di efficienza massima, grazie all’uso di celle a tripla giunzione, che beneficiano della piccola superficie attiva ottenibile mediante sistemi a concentrazione puntiformi (concentratori parabolici, “dishes”, lenti di Fresnel). D’altra parte, significative problematiche tecnologiche legate alla gestione dell’elevato flusso di energia della radiazione minano seriamente la capacità di scalabilità del CPV: l’aumento della fotocorrente induce un incremento contestuale di energia dissipata per effetto Joule, causando un innalzamento della temperatura e una conseguente riduzione dell’efficienza. Inoltre, il CPV trova limitazioni tecnologiche nella non ideale fabbricazione delle ottiche di concentrazione (la cui non-idealità cresce con la scala del sistema): la produzione di hot-spots, dovuti a difetti di focalizzazione o di tracking solare, provoca un effetto di danneggiamento locale della struttura del semiconduttore, che rapidamente porta ad una degradazione permanente dell’efficienza. Infine, la tecnologia delle celle solari multi-giunzione, molto costose, permette solo miglioramenti estremamente marginali a livello di R&D, considerati i budget necessari per concorrere competitivamente con le industrie multinazionali produttrici.

Il laboratorio DiaC² (Diamond & Carbon Compounds), diretto dall’Ing. Daniele M. Trucchi del CNR-IMIP di Roma, sta sviluppando da anni tecnologie innovative per sistemi di conversione nel solare a concentrazione. Ciò mediante le attività di sviluppo in progetti europei (coordinamento scientifico di E²PHEST²US – GA 241270 – www.ephestus.eu, coordinamento di PROME³THE²US³ – GA 308975 – www.prometheus-energy.eu, partecipazione a STAGE-STE – GA 609837). Queste tecnologie sono basate sullo sviluppo di materiali e dispositivi finalizzati a sfruttare altri meccanismi per la conversione dell’energia solare concentrata, potenzialmente combinabili e caratterizzati da elevato rendimento, che beneficiano dell’alta temperatura raggiungibile. Ciò è perseguito sfruttando essenzialmente tre meccanismi: conversione termoionica, conversione termoionica amplificata da fotoemissione ed effetto termoelettrico. Tali meccanismi hanno in comune l’elevata temperatura operativa, sono sistemi a stato solido, possono essere combinati termicamente tra loro poiché il massimo di efficienza di conversione avviene a temperature differenti, e permettono lo sviluppo di sistemi cogenerativi (l’output può essere termico oltre che elettrico). I meccanismi di conversione termoionica e termoelettrica sono noti, ma gli elementi di innovazione sono rappresentati dagli stessi materiali che si intendono sviluppare, che traggono vantaggio dalla nanostrutturazione, dalla deposizione in strato sottile, dalla capacità di essere estremamente versatili e funzionalizzabili per una specifica applicazione (e.g. materiali a base carbonio). In questo modo, i relativi moduli di conversione si pongono, nei riguardi del solare a concentrazione, a metà strada tra la tecnologia CPV, che si è rivelata non utile a causa delle elevate temperature che si raggiungono, e i sistemi di conversione termodinamica, i quali, sfruttando il riscaldamento di un fluido, alimentano motori termici ad elevata efficienza ma di elevato costo. Le tecnologie proposte consentono di sfruttare i vantaggi di entrambe: l’assenza di elementi meccanici in movimento, l’elevata temperatura operativa e la scalabilità del sistema.

Un modulo di conversione  in condizioni operative sviluppato nel corso del progetto  europeo E²PHEST²US

Il progetto europeo E²PHEST²US, recentemente concluso, ha avuto come obiettivo lo sviluppo di moduli innovativi per la conversione di energia solare concentrata in energia elettrica e termica. I moduli di conversione sviluppati (Fig. 1) operano a temperature comprese tra 700 e 1000 °C. Per raggiungere tali temperature, devono essere irraggiati da sistemi a concentrazione solare, che raccolgono la radiazione solare e la concentrano su piccole aree. I moduli di conversione si pongono a metà strada tra la tecnologia del fotovoltaico, che si è rivelata non utile nel solare a concentrazione a causa delle elevate temperature che si raggiungono, e i sistemi di conversione termica, i quali riscaldano un fluido che alimenta specifici motori, caratterizzati da efficienza elevata ma anche da costo elevato. La tecnologia proposta consente di sfruttare i vantaggi di entrambe: l’assenza di elementi meccanici in movimento, l’elevata temperatura operativa e la scalabilità.

Il materiale fondamentale per il funzionamento del modulo di conversione è il diamante sintetico CVD (chemical vapour deposition), che si è dimostrato un eccellente emettitore termoionico a temperature più basse di quelle dei materiali standard (metalli refrattari, caratterizzati da valori di emissione elettronica elevati solo a temperature maggiori di 1500 °C).

L’efficienza di conversione elettrica massima, non attualmente ottenuta ma raggiungibile con un ulteriore sviluppo dei materiali, tra cui l’ottimizzazione del diamante CVD, è stata stimata essere superiore al 30%. Tale valore renderebbe la tecnologia proposta economicamente vincente sulle concorrenti, comprendendo tra esse anche quella del fotovoltaico classico non concentrato. I tempi stimati per una maturazione del modulo ad un livello industriale sono di ulteriori 3 anni di sviluppo.

Una tecnologia ancor più innovativa e promettente è quella oggetto dell’attività del progetto europeo PROME³THE²US³ (www.prometheus-energy.eu), coordinato dal Dr. Daniele M. Trucchi, e che coinvolge l’Univ. di Tel Aviv, l’israeliano Technion, l’Istituto di Energia Solare del Fraunhofer, tre PMI high-tech (Exergy, Solaris Photonics e la romana Ionvac Process), oltre ad Abengoa, multinazionale leader nel settore.

La tecnologia si basa sullo sviluppo di semiconduttori avanzati e sulla progettazione di opportune microstrutture, finalizzate a convertire la radiazione solare in un’elevata emissione elettronica per effetto termoionico e fotoelettrico.

Al contrario del fotovoltaico, si trae beneficio dall’alta temperatura raggiungibile in sistemi a concentrazione solare. Avanzate tecnologie per la fabbricazione e nano-strutturazione dei materiali coinvolti permettono di massimizzarne le prestazioni. La tecnologia, il cui rendimento ottenibile è potenzialmente pari al 50%, si basa su sistemi a stato solido, perciò caratterizzati da scalabilità e durevolezza.

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