Ultra-refractory ceramic absorbers for thermodynamic solar energy generation at high temperature
FIRB 2012_RBFR12TIT1_002 Supersolar
Finanziamento del: Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca (MIUR)
Calls: Futuro in ricerca 2012
Data inizio: 2013-03-21 Data fine: 2017-03-20
Budget totale: EUR 897.792,00 Quota INO del budget totale: EUR 311.600,00
Responsabile scientifico: Laura Silvestroni Responsabile scientifico per INO: Mercatelli Luca
Sito Web: Visita
Calls: Futuro in ricerca 2012
Data inizio: 2013-03-21 Data fine: 2017-03-20
Budget totale: EUR 897.792,00 Quota INO del budget totale: EUR 311.600,00
Responsabile scientifico: Laura Silvestroni Responsabile scientifico per INO: Mercatelli Luca
Sito Web: Visita
Principale Organizzazione/Istituzione/Azienda assegnataria: CNR-ISTEC Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici
altre Organizzazione/Istituzione/Azienda coinvolte:
Università degli Studi di Cagliari
altro personale INO coinvolto: Sani Elisa
Abstract: 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 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. Le Unità coinvolte nel progetto sono 2 istituti afferenti al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), ovvero l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC), e l’Istituto Nazionale di Ottica (INO) e l’Università di Cagliari (UNICA).
ISTEC è l’unico istituto italiano ed europeo a possedere una vasta esperienza sui materiali UHTC che spazia dalla scienza di base, alla comprensione della stabilità dei materiali ad altissima temperatura in ambiente aggressivo, fino alla fabbricazione di prototipi di forma e tessitura complessa.
Il gruppo facente capo ad UNICA possiede una notevole esperienza nel campo della sintesi e sinterizzazione di materiali innovativi sia monolitici che compositi, inclusi gli UHTC, utilizzando delle tecnologie particolarmente efficienti. In particolare, il gruppo è ben conosciuto ed apprezzato in campo internazionale per la sintesi a combustione o Self-propagating High temperature Synthesis (SHS) per la produzione di polveri o prodotti porosi, e per la sinterizzazione in corrente pulsata o Spark Plasma Sintering (SPS), per l’ottenimento di materiali massivi ad elevata densità. A tal riguardo, l’apparecchiatura SPS attualmente disponibile presso UNICA, 515S, Sumitomo Coal Mining Co. Ltd, Japan, rappresenta la prima macchina di questo tipo installata in Italia. UNICA ed ISTEC hanno recentemente avviato una collaborazione proprio nell’ambito della fabbricazione e caratterizzazione di materiali UHTC. INO è un istituto con vasta esperienza sia nel campo della caratterizzazione delle proprietà ottiche dei materiali, che nello sfruttamento dell’energia solare. All’inizio del 2010, INO e ISTEC hanno iniziato una fruttuosa collaborazione sulla caratterizzazione ottica dei materiali ceramici.
Lo scopo del progetto SUPERSOLAR 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. Le Unità coinvolte nel progetto sono 2 istituti afferenti al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), ovvero l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC), e l’Istituto Nazionale di Ottica (INO) e l’Università di Cagliari (UNICA).
ISTEC è l’unico istituto italiano ed europeo a possedere una vasta esperienza sui materiali UHTC che spazia dalla scienza di base, alla comprensione della stabilità dei materiali ad altissima temperatura in ambiente aggressivo, fino alla fabbricazione di prototipi di forma e tessitura complessa.
Il gruppo facente capo ad UNICA possiede una notevole esperienza nel campo della sintesi e sinterizzazione di materiali innovativi sia monolitici che compositi, inclusi gli UHTC, utilizzando delle tecnologie particolarmente efficienti. In particolare, il gruppo è ben conosciuto ed apprezzato in campo internazionale per la sintesi a combustione o Self-propagating High temperature Synthesis (SHS) per la produzione di polveri o prodotti porosi, e per la sinterizzazione in corrente pulsata o Spark Plasma Sintering (SPS), per l’ottenimento di materiali massivi ad elevata densità. A tal riguardo, l’apparecchiatura SPS attualmente disponibile presso UNICA, 515S, Sumitomo Coal Mining Co. Ltd, Japan, rappresenta la prima macchina di questo tipo installata in Italia. UNICA ed ISTEC hanno recentemente avviato una collaborazione proprio nell’ambito della fabbricazione e caratterizzazione di materiali UHTC. INO è un istituto con vasta esperienza sia nel campo della caratterizzazione delle proprietà ottiche dei materiali, che nello sfruttamento dell’energia solare. All’inizio del 2010, INO e ISTEC hanno iniziato una fruttuosa collaborazione sulla caratterizzazione ottica dei materiali ceramici.
Esperimenti/Studi INO correlati:
Solar Energy Materials
Ultra-refractory ceramic absorbers for thermodynamic solar energy generation at high temperature (Firb