Il presente rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito del Progetto “Governo del Sistema Elettrico” – WP 1.1 “Vigilanza sullo sviluppo del sistema di generazione. A complemento degli aspetti trattati nel rapporto CESI RICERCA prot. 06007772, finalizzato all’aggiornamento della consistenza dell’attuale sistema di generazione, delle tecnologie che lo compongono e delle tecnologie più promettenti che si renderanno disponibili nei prossimi decenni, sono stati svolti studi teorico sperimentali su quattro tecnologie di generazione che, a diverso titolo, potrebbero giocare, nel panorama nazionale, un ruolo rilevante nei prossimi decenni [1]. In particolare, sono state considerate le seguenti tecnologie: – impianti termoelettrici alimentati a polverino di carbone operanti in regime ultrasupercritico (USC); – fotovoltaico a concentrazione; – celle a combustibile, anche integrate con una turbina a gas; – elettronucleare di ultima generazione. Nel dettaglio, nel caso degli impianti USC: – con l’ausilio di opportuni strumenti di simulazione, è stato effettuato un processo di ottimizzazione iterativo pervenendo ad una stima dei costi realizzativi e di O&M, fattori concorrenti alla definizione del costo di produzione dell’energia elettrica, sono state utilizzate le informazioni sulle proprietà termo-meccaniche dei materiali candidati ad essere impiegati. Sono state effettuate inoltre: – una verifica sperimentale dell’effettiva applicabilità dei materiali convenzionali (tipicamente acciai ferritici e martensitici) nelle condizioni d’esercizio USC; nei casi nei quali questi non siano risultati in grado di garantire prestazioni idonee, si è proceduto all’individuazione dei materiali innovativi potenzialmente candidati all’impiego in impianti USC (acciai austenitici e superleghe a base nichel) verificandone le prestazioni, mediante un’opportuna attività sperimentale (anche su giunti saldati costituiti da diverse coppie di materiali) con particolare riferimento a prove di creep a rottura e interrotte, creep crack growth e fatica oligociclica e di resistenza a ossidazione a vapore, – la valutazione sperimentale della resistenza a erosione da particolato solido delle leghe candidate per la realizzazione della palettatura della parte di alta pressione della turbina a vapore di impianti USC ed identificazione di soluzioni in grado di mitigare questa problematica. Nel caso del fotovoltaico a concentrazione le attività hanno riguardato:

– l’ottimizzazione della struttura fotovoltaica attraverso l’analisi (simulazione e misure sperimentali con tecniche di diagnostica in-situ) dello stress che si produce nei vari strati della cella solare a multigiunzione (MJ) durante la fase di crescita MOCVD (MetallOrganic Chemical Vapour Deposition); – la valutazione, mediante prove di crescita e successiva caratterizzazione con misure AFM (Atomic Force Microscopy), delle potenzialità della sorgente metallorganica isobutilgermanio (IbuGe), utilizzabile per la deposizione del germanio epitassiale a bassa temperatura, condizione di deposizione indispensabile nella prospettiva di sostituire il germanio con il meno costoso silicio, quale substrato della cella; – realizzazione di una stazione di misura per una caratterizzazione complessiva dei sistemi a concentrazione; – lo studio di fattibilità per l’utilizzo di luminofori o di materiali alternativi per la modifica dello spettro solare incidente affinché esso sia utilizzato con maggiore efficienza dalla cella solare; – la definizione delle problematiche di allineamento fra ottica e ricevitore e la messa a punto di ricevitori innovativi (selezione, analisi del comportamento termico, test di saldatura) per sistemi a concentrazione “point focus”. È stata inoltre valutata la fattibilità d’utilizzo di sistemi dissipativi utilizzati per i LEDs su cui integrare celle solari di piccola dimensione; – lo studio preliminare di ottiche di concentrazione da abbinare alle celle fotovoltaiche che consentono una concentrazione statica o con l’inseguimento a singolo asse o con richiesta di precisione di puntamento inferiore a quello attuale; – uno studio strutturale per la messa a punto di inseguitori solari con diverse capacità di carico nell’ottica di giungere ad una sostanziale semplificazione dei sistemi d’inseguimento, necessari per l’impiego delle celle fotovoltaiche a concentrazione. Relativamente alle celle combustibile e alla loro integrazione con una microturbina le attività sono state finalizzate a: – valutare le effettive potenzialità e le prestazioni delle celle a combustibile, in termini di prestazioni energetiche, affidabilità, disponibilità, durata e flessibilità nell’uso di combustibile, mediante sperimentazione delle prestazioni funzionali e verifica dell’affidabilità e della flessibilità durante un periodo di prova significativo. In particolare, sono state analizzate le prestazioni della cella a combustibile, dell’impianto nel suo complesso e le caratteristiche di funzionamento in regime stazionario e durante variazioni di carico. – caratterizzare l’accoppiamento microturbina-impianto e verificare i limiti funzionali della macchina. Per evitare possibili danneggiamenti, quest’ultima attività è stata svolta in assenza di cella a combustibile, utilizzando un riscaldatore sulla linea catodica per simulare il calore usualmente generato dalla cella a combustibile;

– definire una procedura innovativa di condizionamento di uno stack MCFC da 125 kW di AFCo basato sulle peculiarità dell’impianto di condizionamento realizzato da CESI RICERCA, che consente di mantenere la cella a combustibile in un ambiente ad alta temperatura, analoga alle temperature delle linee anodica e catodica, garantendo così una maggiore uniformità delle temperature e, conseguentemente, il condizionamento ottimale; – eseguire prove di condizionamento e prove di funzionamento di media durata su monocelle e stack da 1 kW di celle a combustibile MCFC standard e realizzate con materiali innovativi, fornite da AFCo, in modo da verificare l’affidabilità e la vita utile di tali celle. Per quanto riguarda le tecnologie nucleari per la generazione di energia elettrica le attività sono state focalizzate su: – l’analisi dell’evoluzione tecnologica relativa alla produzione elettrica da fonte nucleare, attraverso la partecipazione attiva al gruppo di studio sul nucleare europeo organizzato dal World Energy Council (WEC), contatti diretti con ENEA e il centro di ricerca nucleare francese del CEA di Cadarache, nonché attraverso la partecipazione alle ricerche europee lanciate nell’ambito del 6 th Framework Programme EURATOM con i progetti SARNET, dedicato agli studi sulla sicurezza degli impianti attuali, ELSY ed EISOFAR, dedicati allo studio dei nuovi tipi di reattore; – la valutazione dei costi di produzione, mediante lo sviluppo di un’analisi parametrica del costo dell’energia elettrica producibile da fonte nucleare con impianti di nuova costruzione basandosi sui dati attualmente disponibili presso costruttori e produttori ed utilizzando un modello finanziario che calcola il LUEC (Levelised Unit Electricity Cost); – studi relativi alle problematiche sulla sicurezza degli impianti nucleari, con particolare riferimento alla risospensione degli aeriformi radioattivi in scenari incidentali gravi.