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Il processo di stampa 3D è senza dubbio una rivoluzione nell’industria dei manufatti, soprattutto per la capacità di ottenere forme complesse con scarti minimi di materiale. Negli ultimi anni, questa capacità è stata apprezzata anche nel settore della produzione di energia da fonti rinnovabili, dove il ricorso a materiali avanzati particolarmente costosi è necessaria se si vuole aumentare le performance dei dispositivi di produzione di energia.

Il processo additivo AM (Additive Manufacturing), comunemente conosciuto come stampa 3D, permette di ottenere oggetti solidi tridimensionali attraverso la ripetuta “stesura” di strati di materiale, partendo da un modello progettato al computer attraverso un software di modeling (CAD). Questa tecnologia si differenzia dalle tecniche tradizionali che, per ottenere un oggetto solido, ricorrono a processi di rimozione del materiale come il taglio o fresatura.

Attualmente, il processo additivo è ampiamente utilizzato in molti ambiti, dalla produzione di gioielli all’aerospazio, dai dispositivi medici all’industria alimentare. Il forte interesse per questa tecnologia si traduce inevitabilmente in una ricaduta economica rilevante. Nel 2020 è previsto un giro di affari di 30,3 miliardi di dollari con un tasso di crescita annuo del 28,5% dal 2016 al 2020.

3D printer

La stampa 3D è entrata prepotentemente anche nel settore della produzione delle energie rinnovabili, soprattutto nella realizzazione di dispositivi impiegati negli impianti. Le incomparabili capacità della stampa tridimensionale di gestire le complessità, in termini di forma, materiali e funzionalità degli oggetti prodotti, sono un vantaggio enorme in un settore altamente ingegnerizzato come quello della green energy. Ulteriore punto a favore della stampa 3D è la contrazione dei costi di produzione dei dispositivi. La fabbricazione di un oggetto strato dopo strato non solo permette di ridurre al massimo gli sprechi di materiale di partenza, ma semplifica il processo di produzione, diminuendone drasticamente i passaggi.

La stampa 3D nelle energie rinnovabili

Nelle ultime tre decadi abbiamo avuto modo di conoscere da vicino le potenzialità della stampa tridimensionale e le diverse metodologie utilizzate per la produzione di oggetti tridimensionali. La sua applicazione nell’ambito delle energie rinnovabili ha permesso di superare alcuni scogli tecnologici nella produzione di diversi dispositivi. I diversi materiali utilizzati nella fabbricazioni di un dispositivo richiedono tecniche di stampa tridimensionale differenti. La stampa attraverso la deposizione da materiale fuso è utilizzata per materiali termoplastici con cui sono prodotti, ad esempio, piccoli reattori per la cattura di CO2, mentre la stampa a getto di materiale ceramico disperso in un liquido può essere utilizzata per ottenere parti dei sistemi di accumulo.

Tecniche di stampa 3D e applicazioni nel settore delle rinnovabili
Tecniche di stampa 3D e applicazioni nel settore delle rinnovabili

Celle a combustibile a ossidi solidi

Un esempio molto esplicativo è la produzione delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFCs), dove i parametri del materiale di partenza, costituito da ceramici, compositi o cementi, è altamente influenzato dalla microstruttura. La produzione delle SOFCs implica un numero elevato di passaggi (per alcuni dispositivi ne sono stati contati più di mille), ognuno dei quali è fonte di possibili imperfezioni che possono determinare una riduzione dell’efficienza del dispositivo. Un processo di produzione che permetta di ridurre i rischi di difetti, di risparmiare sul materiale e di poter fruttare al massimo la flessibilità di modellizzazione è quantomeno auspicabile sia dal punto di vista tecnologico sia economico.

Le celle a combustibile a ossido solido attraggono molto interesse se riescono a funzionare a temperature medio basse, minori di 700-800°C. Il materiale elettrolita, a queste temperature, è caratterizzato da una bassa conducibilità ionica ed è necessario ricorrere alla riduzione del suo spessore, al fine di mantenere il valore di resistenza specifica per unità di area (ASR) al di sotto di un valore ragionevole (che generalmente è  ASR < 0,15 Ωcm2). I processi di produzione “tradizionali”, che coinvolgono materiale ceramici (es. sinterizzazione), difficilmente riescono a produrre spessori minori di 50 µm (circa lo spessore di un capello). Nel caso del materiale ceramico YSZ (ossido di ittrio stabilizzato con ossido di zirconio o, più comunemente, ittria stabilizzata zirconia), per ottenere un ASR minore del valore indicato, è necessario raggiungere temperature superiori a 800°C. Attraverso una tecnica di stampa simile a quella a getto d’inchiostro, è possibile produrre spessori di ceramico elettrolita di alcune unità di µm, capace di funzionare con ottime prestazioni intorno ai 700-750 °C.

L’uso della stampa tridimensionale non si ferma alla sola produzione del ceramico elettrolita, ma è anche possibile produrre gli elettrodi porosi, dove la loro microstruttura e l’interfaccia elettrodo/elettrolita (solido/solido) sono di cruciale importanza nelle SOFCs. Si è rilevata particolarmente efficace soprattutto la tecnologia a getto, grazie al controllo, durante il processo di stampa, di molti parametri. L’aspetto negativo risiede nel fatto che l’uso di questa tecnologia di stampa non è idonea per la produzione su larga scala.

Un esempio tangibile di produzione di SOCFs tramite stampa tridimensionale è il progetto CELL3DITOR, finalizzato dalla Commissione Europea attraverso l’Impresa Comune “Celle a Combustione e Idrogeno 2” (FCH2), il cui obiettivo principale è lo sviluppo di una tecnologia di stampa 3D capace di produrre industrialmente, in tutte le sue fasi della catena, pile SOFCs.

Schema Porgetto CELL3DITOR
Schema Porgetto CELL3DITOR

Celle solari flessibili e moduli fotovoltaici

La stampa 3D è stata molto utilizzata anche nel campo del fotovoltaico, apportando dei vantaggi in termini economici nella produzione di pannelli solari flessibili e leggeri per istallazioni su edifici o per la realizzazione di indumenti hi-tech.

La produzione su larga scala di celle fotovoltaiche stampate su substrati flessibili è uno dei più promettenti usi della tecnologia di stampa 3D nel settore della produzione di energia solare. Attraverso l’uso di una stampante a getto è possibile produrre delle celle solari di lunghezza variabile e di larghezza uguale all’ugello, a sezione rettangolare, di uscita con un materiale ceramico (perovskite) e capaci di un’efficienza di circa 11,6%. La stampa viene eseguita su un vetro trasparente conduttore ITO (ossido di indio stagno).  Con la stessa tecnica è stato possibile ottenere delle celle flessibili prodotte con materiale organico su un supporto polimerico e con un’efficienza del 4,6%.

VTT Solar Tree
VTT Solar Tree

Un interessante esempio di uso della stampa 3D nel settore del fotovoltaico è “l’albero cattura-energia solare” sviluppato dagli scienziati della VTT [3]. Questo prototipo di laboratorio è capace di raccogliere l’energia solare dal suo ambiente. Le “foglie” posizionate alle estremità dei “rami” permettono di trasformare, tramite i circuiti stampati sulla loro superficie, l’energia solare e l’energia cinetica dell’aria, per effetto piezoelettrico, in energia elettrica per alimentare piccoli dispositivi come i telefoni cellulari o lampadine a LED.

Nel settore del fotovoltaico il ricorso alla stampa 3D ha riguardato anche altri dispositivi, come per esempio i concentratori di luce. Questi dispositivi vengono utilizzati per raccogliere la radiazione solare, focalizzarla al loro centro e, attraverso un foro, trasmetterla alla cella fotovoltaica. L’uso di questi dispositivi permette di aumentare l’efficienza quantica esterna della cella di circa 16%.

La stampa 3D sta muovendo i primi passi anche in altre tecnologie interne al settore della produzione energetica da fonti rinnovabili, come per esempio nel campo della produzione di elettrodi per accumulatori di energia a ioni di litio, settore di grande interesse dal punto di vista economico. Sicuramente l’applicazione di una tecnologia capace di produrre “dal basso” un dispositivo, modellandone la forma e intervenendo direttamente sulle caratteristiche strutturali, è un vantaggio anche in ottica di un miglioramento del rapporto prestazione/costo del dispositivo stesso. Le possibilità d’uso di stampanti 3D è molto ampio, ma l’esperienza accumulata nel settore della green energy è ancora limitata, sebbene si siano già ottenuti risultati utili.

ilpositivismo.com

Fonti e Approfondimenti

1. http://www.cell3ditor.eu/media/upload/pdf/fuel-cells-bulletin_148673039321.pdf
2. https://mse.gist.ac.kr/~ppl/2004ppl/2014_%5BAdv.Energy.Mat.%5D_KIHwang.pdf
3. http://www.vttresearch.com/media/news/solar-power-from-energy-harvesting-trees-%E2%80%93-watch-the-video

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.