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Un team guidato dalla Purdue University ha presentato un nuovo composito solare che potrebbe migliorare significativamente gli impianti solari a concentrazione in efficienza e costi, secondo un nuovo studio pubblicato nel Natura la settimana scorsa. Questa collaborazione tra il Georgia Institute of Technology, l'Università del Wisconsin-Madison e l'Oak Ridge National Laboratory spera di aumentare l'uso attuale del solare negli Stati Uniti, che rimane a meno del 2% della nostra produzione di elettricità. Ma il nuovo materiale del team potrebbe rivoluzionare il settore dell'energia solare concentrata.
"Penso che siamo allettanti", dice il professor Purethé Kenneth Sandhage Inverso.
Il composito, costituito da carburo di zirconio cer amic e met al tungsteno, rientra in una categoria di materiali denominati "cermet", noti per la loro capacità di resistere a temperature e pressioni elevate. Diffusi dopo la seconda guerra mondiale per il loro uso nei motori a reazione, l'Air Force statunitense (quelli che hanno coniato il termine) "cermet" sono diventati un punto di riferimento per gli aerei e i razzi spaziali. E sostituzioni all'anca.
Il team di Purdue ha preso nota delle qualità del cermet e ha scoperto un nuovo ambiente ad alta temperatura per testarlo: centrali elettriche concentrate.
Contro una tipica fattoria solare fotovoltaica con pannelli inutilizzati installati su fattorie o tetti, le centrali solari a concentrazione concentrata sono fondamentalmente la versione su larga scala e ben intenzionata delle formiche che bruciano sotto una lente d'ingrandimento. Queste piante usano specchi o lenti per concentrare l'energia del sole. Invece di formiche morte, il calore viene trasferito ai sali fusi. Piastre in acciaio inossidabile o leghe a base di nichel sono utilizzate per trasferire il calore dai sali a un fluido che si espande per far girare una turbina, che alla fine ti dà energia. Purdue utilizzava CO2 supercritica come fluido in questione, ovvero CO2 a temperature così elevate e pressioni che esiste da qualche parte tra un liquido o un gas.
Questa tecnica di raccolta del calore dal sole significa che le centrali elettriche concentrate ottengono caldo. Il materiale delle piastre utilizzate per trasferire il calore è un collo di bottiglia nel sistema - l'attuale acciaio inossidabile o leghe a base di nichel colpiscono la capacità di circa 550 gradi Celsius prima di ammorbidirsi, appena meno di 100 gradi più caldo del pianeta più caldo del nostro sistema solare, Venere.
Dopo i test meccanici all'Oak Ridge National Laboratory, il team ha scoperto che il nuovo composito ci lascia andare ancora più caldi, a circa 750 gradi Celsius, che è sul lato fresco della lava. Il cermet di Purdue è anche due o tre volte più conduttivo degli attuali standard industriali.
Oltre a raggiungere livelli di calore roventi, questa differenza di temperatura consente a un impianto di aumentare la propria produzione di calore fino a oltre il 20 percento. In scala, la nuova efficienza del composito metallo-ceramica sarebbe più economica dei materiali attuali e potrebbe aiutare a ridurre drasticamente le emissioni di anidride carbonica.
Impressionante come potrebbero essere i metalli ceramici, il team ha affrontato prima i problemi con la corrosione, poiché la CO2 supercritica avrebbe ossidato le piastre, riducendo la loro produttività. Ma attingendo a concetti fondamentali di chimica, si è capito che l'aggiunta di uno strato di rame alla superficie delle lastre di cermet e l'aggiunta di 50 parti per milione di monossido di carbonio alla CO2 supercritica attenua il problema. Il team ha presentato un brevetto per il nuovo materiale.
A partire dal 2018, gli impianti solari a concentrazione concentrata producono circa 1.400 MW di energia per gli Stati Uniti all'anno. Mentre è attualmente più economico raccogliere la luce solare usando il fotovoltaico tradizionale, le batterie per immagazzinarle sono costose - è in realtà più economico immagazzinare il calore, come avviene tramite il solare concentrato. Con questo nuovo composito, il costo della raccolta del calore cade. Combinato con la capacità di contribuire a colmare il divario di energia presentato dal solare durante la notte, questo rende il solare concentrato molto più competitivo.
"Penso che sia un momento entusiasmante per l'ingegneria dei materiali", commenta Sandhage. "Ci sono problemi molto seri che dobbiamo affrontare, ma è questione di fare il duro lavoro dell'ingegneria per portare i materiali giusti, portare il giusto design e continuare a rovinare i problemi. Siamo entusiasti del ruolo che possiamo svolgere ".
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