Il progetto “Materiali di Frontiera per usi energetici” si occupa di studiare materiali e tecnologie che trovano applicazione nel settore energetico. Le due tematiche principali sono l’energy harvesting (WP1 e WP2) e la stampa 3D (WP3 e WP4).
I processi industriali portano alla dispersione nell’ambiente di elevate quantità di calore in forma di flussi caldi generalmente in forma liquida o gassosa. La possibilità di sfruttare questi cascami di calore rappresenta un interessante sfida per la ricerca che potrebbe essere affrontata mediante l’utilizzo di materiali termo- e piroelettrici, sia in forma massiva che in film sottili per la realizzazione di generatori di corrente. Un utilizzo su larga scala dei generatori termoelettrici (TEG) richiede la realizzazione di componenti basati su materiali efficienti con bassi costi di produzione.
Le attività del WP1 sono quindi focalizzate sullo studio di materiali in forma massiva o di film con buone proprietà funzionali e basso impatto ambientale attraverso lo sviluppo e l’implementazione di tecniche di fabbricazione convenzionali e non a basso costo, sostenibili a livello ambientale e energetico e scalabili a livello industriale (figura 1). Nel WP2 moduli esplorativi termo- e piroelettrici allo stato solido verranno progettati, testati e validati su scala di laboratorio. Nel caso di materiali termoelettrici, vengono studiate le interconnessioni tra i materiali attivi e verranno testati circuiti con differenti geometrie e architetture per la realizzazione di dispositivi di prova. All’interno del progetto si intende realizzare dei TEG con film sottili di materiali inorganici e ibridi a bassa potenza (nW-?W con differenze di temperatura di pochi gradi centigradi), adattabili alle caratteristiche dei diversi flussi di calore e con buona stabilità nell’intervallo di temperatura inferiore ai 200°C, e prototipi di generatori basati su piroelettrici con componenti piro-ceramiche (figura 2).
I WP3 e 4 sono invece focalizzati su diversi aspetti dell’Additive Manufacturing (AM), con l’intento di integrare e dove necessario sostituire i processi produttivi tradizionali, quali quelli sottrattivi o di fonderia, per la realizzazione di componenti per applicazioni nel campo energetico. Una parte delle attività del progetto sono volte a sviluppare dei materiali compositi per l’utilizzo in processi additivi per la stampa di componenti in lega metallica, partendo da materiali polimerici compositi, considerando sia l’aspetto dei leganti che quello delle cariche metalliche. Inoltre un impianto a plasma termico, verrà utilizzato per la sintesi di particelle per i processi di AM, da utilizzare come cariche per compositi e paste da depositare e per i processi a letto di polvere o deposizione diretta.
E’ prevista inoltre la realizzazione di scambiatori di calore per applicazioni sia in sistemi di riscaldamento e refrigerazione basati sull’energia solare, con macchine ad assorbimento acqua-ammoniaca, che per uso domestico. La realizzazione degli scambiatori in materiale polimerico (figura 3) consente l’ottimizzazione della loro geometria per un miglioramento delle prestazioni prima della stampa in lega metallica (figura 4). E’ stata inoltre progettata e realizzata una nuova lega con caratteristiche idonee ad un utilizzo in ambienti fortemente alcalini, per la realizzazione di scambiatori di calore mediante stampa 3D.
Un’ulteriore attività di progetto prevede lo sviluppo di paste ceramiche stampabili con proprietà reologiche ottimizzate, opportunamente formulate per la stampa 3D ad estrusione di materiale ed in particolare per il processo di “Liquid Deposition Modeling” (LDM). Verranno ottimizzati sia la strategia di stampa che i trattamenti termici fino ad ottenere componenti sinterizzati, a dimostrare l’applicabilità del processo di stampa 3D ai ceramici avanzati. I componenti in ceramico avanzato saranno opportunamente progettati al fine di essere promettenti per l’incremento della temperatura di esercizio e quindi dell’efficienza dei sistemi di produzione di energia elettrica a partire da biomasse (figura 5).
Partecipano al progetto anche: INSTM, UNIBO, UNINA, UNIROMA1, UNISA, UNISalento