Il carbone ha attualmente un ruolo praticamente marginale nella generazione di energia elettrica in Italia, con un contributo del 12 % sul totale, a fronte di un valore di 27 % della media UE. Il carbone, se da un lato è recepito come fonte ‘molto inquinante’, rappresenta d’altra parte la fonte fossile indiscutibilmente più economica, più abbondante e di più sicuro approvvigionamento. Il maggior ricorso al carbone consentirebbe di ridurre il prezzo dell’energia elettrica e di rendere meno vulnerabile la dipendenza energetica italiana dall’estero. Lo sviluppo di tecnologie innovative per un utilizzo efficiente e pulito del carbone, con particolare riferimento al problema del contenimento delle emissioni, costituisce un elemento imprescindibile per ricorrere in modo sostenibile a questo combustibile fossile. Le principali soluzioni impiantistiche prese in considerazione nell’ambito della Ricerca di Sistema, concernono i cicli avanzati a vapore (‘incrementali’ rispetto a quelli convenzionali), i cicli IGCC (Integrated Gassification Combined Cycle) ed EFCC (Externally Fired Combined Cycle). In particolare, nella tecnologia EFCC i prodotti di combustione non sono generalmente idonei per alimentare direttamente un turbogas e sono quindi utilizzati per riscaldare aria pressurizzata da inviare in turbina e quindi alla caldaia a recupero (HRSG) in un ciclo vapore tradizionale. Affinché la tecnologia EFCC possa raggiungere rendimenti prossimi o superiori al 50% è necessario disporre di uno scambiatore di calore affidabile ed efficiente per realizzare lo scambio termico tra aria e fumi ad alta temperatura. Ciò significa essere in grado di realizzare componenti che: – operino in pressione (>10 bar); – possano essere eserciti ad alte temperature (>1300°C) in presenza di agenti ossidativi e corrosivi; – abbiano buone proprietà di scambio termico; – siano facilmente sostituibili; – abbiano un comportamento meccanico di tipo duttile; – resistano bene a shock termici; – resistano a fenomeni d’erosione; – possano essere eserciti per 20000-30000 ore. Gli unici materiali potenzialmente in grado di soddisfare tutti questi requisiti sono i compositi a matrice ceramica o CMC che constano di fibre ceramiche in matrice ceramica. Attualmente, però, per poterli utilizzare per la realizzazione prototipale di uno scambiatore di calore di taglia industriale devono essere ancora risolti parecchi problemi tecnologici legati principalmente alla tenuta in pressione dei manufatti finali e alla ossidazione/corrosione delle fibre di carbonio (le uniche in grado di garantire un’adeguata resistenza meccanica, un’elevata conducibilità termica a costi accettabili per l’applicazione specifica).

Il passaggio intermedio tra la soluzione finale che prevede l’impiego di CMC e quella attuale che impiega materiali metallici consiste nella realizzazione di uno scambiatore di calore i cui componenti più critici sono prodotti in materiali ceramici massivi. Poiché il principale aspetto negativo di questi materiali riguarda la loro fragilità intrinseca, è importante progettare lo scambiatore in modo da ridurre le probabilità di rottura (anche a catena) dei tubi e delle flange che costituiscono lo scambiatore. Nel 1° periodo di RdS, nell’ambito del progetto EVINGEN, è stata avviata, presso l’area sperimentale di Livorno (attigua alla Centrale termoelettrica del Marzocco), la realizzazione di un circuito sperimentale finalizzato, in una prima fase, alla prova dei componenti critici del ciclo EFCC e, in una seconda fase, alla dimostrazione della possibilità di produrre elettricità. Nel secondo triennio, nell’ambito del progetto GEN21, ci si pone l’obiettivo di completare il circuito, di eseguirne il commissioning e di effettuare una campagna di prova di durata sufficiente per valutare la funzionalità e l’affidabilità dei componenti più critici di questa tecnologia, che sono il sistema di scambio termico di tipo ceramico e metallico ed il combustore adiabatico ad alta temperatura [1]. Questo rapporto riassume le principali fasi dell’assemblaggio dello scambiatore di calore costituito di due corpi di cui uno dotato di tubi ceramici (in Carburo di Silicio) per lo scambio termico tra i fumi ad alta temperatura e l’aria pressurizzata. in grado di accettare fumi a 1400 °C e di riscaldare l’aria pressurizzata a 10 bar fino ad oltre 1100 °C. Tra gli aspetti rilevanti di quest’attività di montaggio si segnala la soluzione di importanti problemi di sicurezza dovuti alla presenza di materiali d’isolamento ceramici classificati R49.