Sviluppo di SOFC planari operanti a temperature intermedie con combustibili derivanti da biomasse (biogas) (BioplanarSOFC)


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Le principali strategie per sopperire agli attuali bisogni energetici e garantire uno sviluppo sostenibile risiedono nell’uso più razionale delle fonti primarie di energia disponibili che riduca la produzione di gas serra e nella messa punto di tecnologie e di sistemi di conversione dell’energia ad alta efficienza e basso impatto ambientale.

Il biogas è un idrocarburo ed è uno tra i più diffusi e interessanti combustibili rinnovabili prodotto dalla digestione anaerobica di biomasse di diversa provenienza (zootecnico, agro-industriale, forestale, rifiuti organici) ed è indicato dall'Unione Europea tra le fonti energetiche rinnovabili non fossili che possono garantire non solo autonomia energetica, ma anche la riduzione graduale dell'attuale stato di inquinamento dell'aria e quindi dell'effetto serra. La sua composizione dipende dalla provenienza ma fondamentalmente è costituito da metano (50-75%), anidride carbonica (25-45%), acqua (2-7%) e azoto (circa 2%), con presenza di idrogeno e acido solfidrico (inferiore all'1%) e tracce di ossigeno, ammoniaca, alogenuri e silossani.

In Italia la normativa sugli incentivi all’autoproduzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (certificati verdi) ha suscitato un rinnovato interesse verso gli impianti di biogas.
Negli ultimi anni particolare interesse è stato rivolto all’uso dei combustibili derivati dalle biomasse in celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), in quanto, le temperature di esercizio relativamente elevate (600-800°C) consentono un’integrazione termica con tutti i passi di conversione e purificazione del biogas (abbattimento di acido solfidrico, ammoniaca, alogenuri e silossani ecc.), necessari ad aumentare l’efficienza e la durata del sistema

L'idea alla base del progetto

Lo scopo del progetto BioplanarSOFC è sviluppare celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) planari operanti a temperature intermedie (600-800°C) e indagare l’uso dei combustibili derivati dalle biomasse in tali celle, tradizionalmente alimentate a idrogeno e per questo poco diffuse.

Nell’ambito della ricerca applicata alle celle a combustibile ad ossidi solidi tale obiettivo risulta prioritario ed è associato allo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie produttive. In particolare, lo sviluppo di SOFC capaci di essere alimentate direttamente con idrocarburi è però legato alla identificazione di elettrocatalizzatori più attivi per l'ossidazione diretta del combustibile a 600-800°C. Il nichel è un buon catalizzatore di elettrossidazione ma favorisce anche il cracking degli idrocarburi disattivandosi progressivamente con la formazione di strutture grafitiche sulla sua superficie. Inoltre, alle temperature operative delle SOFC, aumenta la sensibilità del metallo verso contaminanti, tra i quali i più problematici da gestire sono i composti solforati.

Il progetto BioplanarSOFC prevede la sostituzione del tradizionale nichel con il rame, che ha caratteristiche di conducibilità migliori, è inerte verso le reazioni di ossidazione degli idrocarburi e sopprime la deposizione di carbonio. Tuttavia, la bassa temperatura di fusione del rame e dei suoi ossidi (inferiore a 1100°C), è un fattore limitante al suo impiego dal momento che ne impedisce la diretta inclusione nel materiale composito metallo-ceramico (cermet) delle celle anodo attraverso consueto processo di sinterizzazione ad alta temperatura (oltre i 1300°C). In questi anni, diversi approcci sono stati proposti per evitare di sottoporre gli ossidi di rame alle alte temperature di sinterizzazione dei materiali ceramici che completano la composizione anodica. Tra questi annoveriamo leghe con altri metalli con maggiore punto di fusione, impregnazione di scaffold anodici precedentemente sinterizzati con soluzioni di nitrato di rame e altri metalli, plasma spraying e electroplating. Sebbene molti di questi approcci si siano rivelati funzionali, la possibilità di includere il rame nella composizione del cermet anodico supportante fin dalla sua formulazione inziale resta una valida, più breve ed economica alternativa.

A temperature comprese tra i 600 e i 800°C, il materiale elettrolitico usato nelle celle attuali (YSZ) non possiede una conducibilità ionica soddisfacente e di norma viene a sua volta sostituito con ossido di cerio drogato con gadolinio (GDC). D’altra parte, uno dei maggiori problemi collegati all’utilizzo di tale materiale è la necessità di alte temperature di sinterizzazione per raggiungere valori di densità tale da adempiere ai requisiti di uno strato elettrolitico. Per questo motivo, tentativi di co-sinterizzazione di elettroliti sottili in GDC su anodi supportanti a base di rame sono al momento molto scarsi in letteratura.

L’utilizzo di metalli di transizione permette di abbassare la temperatura di sinterizzazione ed incrementare il rate di densificazione. Numerosi additivi di sinterizzazione sono stati identificati per la GDC tra i quali l’ossido di litio ha mostrato l’effetto più importante. È stato inoltre dimostrato che l’effetto di tale drogaggio sulle caratteristiche di conducibilità ionica della GDC è benefico. Per questo motivo, nel progetto BioplanarSOFC, specifici ossidi metallici saranno utilizzati come additivi per promuovere la densificazione dell’elettrolita a temperature inferiori a 1050°C così da non compromettere l'integrità degli ossidi di rame nell'anodo.

Le SOFC fabbricate utilizzando processi colloidali di tape casting/screen printing e sinterizzazione saranno “button cell” con una densità di potenza superiore a 200 mW cm-2 in presenza di biogas e composti solforati (da 5 a 50 ppm) rilevata durante test di lunga durata. Le loro proprietà catalitiche ed elettrochimiche saranno valutate in presenza di diverse composizioni di biogas e a diverse temperature.

I protagonisti

Lo studio e lo sviluppo di materiali per SOFC è stato negli anni l’obiettivo delle principali attività di ricerca del gruppo INSTM dell'Università di Trento, di alcuni ricercatori dell'UdR dell’Università di Roma Tor Vergata e della giovane azienda trentina SOLIDPower Spa. In particolare a Trento si sono sviluppate tecniche per l’ottimizzazione composizionale, microstrutturale e di processo di materiali e componenti per SOFC mentre i ricercatori di Tor Vergata hanno una tradizione consolidata sulla sintesi chimica, la caratterizzazione chimico-fisica dei materiali e l’analisi elettrochimica. SOLIDPower Spa è azienda già leader in Europa nella produzione e commercializzazione di celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) planari e di sistemi di cogenerazione energetica basati sulle stesse. Il progetto BioplanarSOFC consentirà di far convergere le diverse competenze ed esperienze sull’obiettivo comune di realizzare celle planari operanti a temperature intermedie in presenza di biogas.

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Il finanziamento

Il progetto è finanziato attingendo dalle risorse previste dal "Bando per progetti di ricerca scientifica nell'ambito della gestione e salvaguardia dell'ambiente, territorio e sviluppo sostenibile" della Fondazione Cassa di Risparmio di Trento e Rovereto. Link al sito web della Fondazione CARITRO (clicca sul logo):

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