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Energie rinnovabili, una opportunita concreta per i tecnopolimeri


Energie rinnovabili un'opportunità concreta per i tecnopolimeri

NUOVA ATTENZIONE SULLE ENERGIE ALTERNATIVE
Le fonti di energia rinnovabili ed il risparmio energetico sono ormai da tempo al centro dell’attenzione dei sistemi industriali, politici e finanziari mondiali.
Il rincaro delle materie prime, soprattutto del petrolio, occorso durante la prima metà del 2008 aveva comportato un brusco aumento anche del costo dell’energia elettrica prodotta attraverso fonti convenzionali e di conseguenza un maggior interesse verso la produzione di elettricità da fonti a basso costo, meglio se rinnovabili e sufficientemente estranee a sistemi di controllo politico ed economico.

La crisi finanziaria che stiamo attualmente attraversando ha nuovamente acceso i riflettori sulle possibilità commerciali concretamente offerte dal mercato delle energie alternative e rinnovabili.

Come già ampiamente riconosciuto dalla maggior parte dei Governi, una reale possibilità di rilancio dell’economia mondiale potrebbe infatti passare attraverso l’adozione, sia in ambito civile che industriale, di sistemi dedicati alla produzione, alla gestione ed al risparmio di energia prodotta attraverso fonti sostenibili e rinnovabili.
Sono già infatti noti i dettagli dei piani di rilancio economico di molti Paesi.

Negli USA, il presidente Obama ha stanziato oltre 150 miliardi di dollari in 10 anni per la ricerca e lo sviluppo di tecnologia pulita nel campo delle energie alternative, delle automobili elettriche e delle tecnologie di risparmio con lo scopo preciso di sottrarre gli Stati Uniti alla sempre più stringente dipendenza dalle fonti fossili.

Seguendo gli stessi principi, in Germania il cancelliere Merkel ha dedicato ulteriori risorse allo sviluppo dei settori fotovoltaico ed eolico, in aggiunta a quanto già realizzato negli anni precendenti proprio in questo campo, es. la famosa campagna dei centomila tetti fotovoltaici. Ecco quindi che una teoria veicolata un tempo principalmente da finalità di tutela ambientale si avvia a divenire una soluzione concreta in cui viene riposta anche la speranza di far scorrere nuova linfa nelle economie d’Europa ed America, almeno nel lungo periodo.
Oltre che dagli incentivi pubblici e da evidenti ragioni etiche, la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili è anche sostenuta dal costo al kWh che quasi sempre risulta interessante, soprattutto integrando adeguatamente i sistemi alternativi all’esistente convenzionale, es. termoelettrico o nucleare.

I TECNOPOLIMERI
La mole di progetti e di sviluppi che va concretizzandosi per sostenere lo sfruttamento delle energie rinnovabili e per la gestione dei sistemi di risparmio energetico è imponente ed interessa trasversalmente tutti i settori industriali.
Particolari opportunità verranno offerte al mondo dei polimeri tecnici, soprattutto perché molti di questi progetti saranno concepiti in un’ottica completamente “verde” e quindi saranno benvenuti tutti i tipici vantaggi legati alla produzione ed alla trasformazione di materiali compositi e compound.

A differenza dei metalli, le materie plastiche possono infatti offrire ulteriori risparmi anche nella gestione degli scarti di produzione, nei cicli lavorativi, nella trasformazione, nel consumo energetico correlato e nel trasporto. Non tutti i segmenti in crescita possono però offrire sbocchi egualmente interessanti alle materie plastiche, per evidenti ragioni legate per esempio alle specifiche di progetto: dimensioni, esigenze meccaniche, condizioni di lavoro ecc. Limitandosi alle possibilità offerte ai compound per stampaggio ad iniezione, LATI è stata da tempo coinvolta nello sviluppo di molteplici progetti attivi nel settore:

  • fotovoltaico;
  • solare termico;
  • generazione di idrogeno.

Sono infatti questi i campi in cui l’inserimento dei tecnopolimeri risulta essere più agevole ed immediato, grazie soprattutto alle esigenze tipicamente richieste ai manufatti ed alla semplice integrazione del processo di stampaggio ad iniezione nel processo produttivo.

É da considerare attentamente anche la grande importanza dell’indotto che si verrà a creare nell’ambito di questi campi, collegato alla produzione di tutte le strutture ausiliarie necessarie per il funzionamento delle unità di generazione, specialmente nel campo del solare termico.

FOTOVOLTAICO
É il segmento che sta conoscendo la crescita più rapida, soprattutto in Germania e che prossimamente sarà interessato ad un’introduzione massiccia anche in Italia, dove i pannelli fotovoltaici vengono già forniti in dotazione ad edifici di nuova costruzione rispondenti agli standard più elevati di risparmio energetico.
Il miglioramento dell’efficienza dei pannelli ed il progresso della tecnologia del silicio fotoelettrico porteranno ad un’ulteriore riduzione dei costi e quindi ad uno sviluppo ancora maggiore di questa soluzione. I compound termoplastici risultano interessanti in questo settore grazie alle grandi possibilità in termini progettuali garantite dalla flessibilità delle formulazioni e del processo di stampaggio ad iniezione, rapido e pulito.

In questo campo LATI è stata coinvolta per il conseguimento di obiettivi precisi relativi alla sostituzione del metallo da elementi strutturali destinati ad alloggiare l’elemento fotovoltaico ed all’introduzione di particolari compound autoestinguenti con cui realizzare le elettroniche di controllo. Le esigenze specifiche sono molteplici e tutte volte, oltre alla ottimizzazione della resistenza del prodotto, anche al rispetto delle esigenze ambientali. Ai componenti in plastica destinati ad un impiego strutturale viene per esempio richiesta:

  • resistenza all’esposizione diretta ai raggi solari ed agli agenti atmosferici;
  • aspettativa di vita utile di almeno 10 anni;
  • resistenza al creep ed alla temperatura;
  • massima stabilità dimensionale;
Fig 1 - Valori di modulo elastico per compound strutturali normalmente impiegati nelle applicazioni del settore energie alternative e risparmio energetico.

Per rispondere a queste esigenze LATI ha realizzato particolari versioni di PBT, PA66, PPS e PPA rinforzate con fibra di vetro fino al 60%, messe a punto in modo da garantire prestazioni di tutto rilievo in ambito strutturale anche in condizioni di esposizione prolungata al sole, alle intemperie, ai carichi meccanici.

I materiali selezionati dalle aziende operanti in questo settore:

  • LATAMID 66 H2 G/50 e LATIGLOSS 66 H2 G/50: PA66, rinforzata 50% fibra vetro, ottima resistenza e miglior compromesso prezzo-prestazioni;
  • LARTON G/40: massima stabilità dimensionale e resistenza termica;
  • LATER 4 G/50: resistenza agli agenti atmosferici;
  • LARAMID G/60: prestazioni meccaniche elevatissime e ottima resistenza termica e chimica.
Fig 2 - Carico a rottura per compound strutturali normalmente impiegati nelle applicazioni del settore energie alternative e risparmio energetico. Notare il confronto con la resistenza di due diffusi materiali metallici.

Nel caso invece di materiali scelti per applicazioni elettriche ed elettroniche in cui sia richiesta l’autoestinguenza, la resistenza alla fiamma deve essere ottenuta mediante l’impiego di additivi specifici privi di alogeni (halogen free), fosforo rosso e sinergici considerati pericolosi per l’ambiente e la salute, come triossido di antimonio e zinco borato. Questo approccio consente la diffusione sul mercato di un prodotto concepito integralmente nell’ottica “verde” del rispetto dell’ambiente, uno strumento di marketing di notevole efficacia. Anche in questo caso LATI si è impegnata a proporre esclusivamente i propri gradi autoestinguenti a ridotto impatto ecologico:

LATAMID 66 H2 G/25-V0HF1
LATAMID 6 H2 G/30-V0HF1
LATER 4 G/30-V0HF1
LARAMID G/35-V0HF1

COMPORTAMENTO ALLA FIAMMA MATERIALI AUTOESTINGUENTI
SENZA ALOGENI, TRIOSSIDO DI ANTIMONIO, FOSFORO ROSSO
  UL94 - 0,75/1,5/3 mm GWIT 1/2 mm GWIT 1/2 mm CTI

LATAMID 66 H2 G/25-V0HF1

V0 V0 V0

800/825°C

800/825°C

600V

LATAMID 6 H2 G/30-V0HF1

V0 V0 V0

800/800°C 960/960°C 600V

LATER 4 G/30-V0HF1

na V0 V0

na/775°C 960/960°C 575V

LARAMID G/35-V0HF1

V0 V0 V0

850/850°C 960/960°C na

I prodotti della serie HF possono essere impiegati con successo per la realizzazione di connettori, portafusibili, portainterruttori e scatole varie, anche destinate ad alloggiare dispositivi operanti ad elevate temperature (es. diodi ed altri sistemi di controllo della potenza generata).

GENERAZIONE DI IDROGENO
L’idrogeno gassoso è da anni al centro dell’attenzione dei ricercatori operanti nel campo delle energie alternative e rinnovabili.
Suo principale vantaggio è quello di bruciare con una fiamma fortemente esotermica (e quindi ad elevato contenuto energetico) il cui prodotto di reazione è solo acqua.
Attualmente la generazione di idrogeno mediante scissione elettrolitica dell’acqua risulta essere un processo molto svantaggioso dal punto di vista del bilancio energetico e quindi assolutamente poco interessante.
La termodinamica di questa reazione richiede infatti molta più energia per la scissione della molecola di acqua (circa 5kwh per m3 di H2 generato), di quanta poi risulti disponibile durante la combustione dell’idrogeno.

Le reazioni di elettrolisi non sono spontanee e richiedono una notevole quantità di energia dall’esterno oltre che una soluzione elettrolitica che agevoli il fenomeno.

Tuttavia risulta molto interessante l’opportunità di usare l’elettrolisi dell’acqua come strumento per immagazzinare dell’energia prodotta in eccesso, altrimenti destinata a non essere sfruttata.

Per esempio, si comincia a vedere nell’idrogeno gassoso un semplice metodo per stoccare in modo fruttuoso l’energia elettrica prodotta in sovrabbondanza durante le ore notturne dalle centrali termoelettriche e nucleari, oppure dall’eccesso fotovoltaico off-grid, ossia non collegato alla rete elettrica, oppure da fonti alternative sempre disponibili come l’eolico o il geotermico.

Mentre risulta poco attendibile la possibilità di impiegare l’idrogeno gassoso come fonte energetica primaria, è più plausibile inquadrare questa risorsa come integrativa delle fonti tradizionali. Il gas così ottenuto può quindi essere stoccato per poi utilizzarlo durante il giorno, es. come combustibile ecologico in fuel cells, per autotrazione o riscaldamento.

La scissione dell’acqua avviene in reattori in cui si verificano condizioni operative piuttosto gravose, soprattutto per la presenza dell’elettrolita, una soluzione acquosa alcalina estremamente aggressiva, e delle specie gassose native ossigeno ed idrogeno, anch’esse piuttosto problematiche per i metalli. Oltre all’attacco chimico, il reattore deve resistere alla pressione, a temperature superiori a 50°C e deve garantire assoluta sicurezza ed affidabilità nel tempo poiché al suo interno infatti sono presenti, oltre all’elettrolita corrosivo, anche specie gassose pericolose e correnti elettriche importanti.

MATERIALE LARTON G/40 LARTON G/40 I6 LARTON G/40 I9

Allungamento a rottura (%)

1,2

1,7

2,2

Carico a rottura (MPa)

160

190 120

Modulo elastico (MPa)

16000

15000 10000

IZOD (J/m)

80

90 130
Confronto fra proprietà meccaniche dei vari gradi LARTON G/40

Ogni cedimento strutturale potrebbe avere ripercussioni serie sulla possibilità di funzionamento del dispositivo stesso.
Il reattore viene costruito nel rispetto più accorto delle tolleranze dimensionali, ricorrendo a materiali plastici speciali che devono offrire:

  • resistenza chimica massima;
  • resistenza a creep e fatica;
  • buone prestazioni meccaniche e termiche;
  • resistenza all’invecchiamento;
  • massima stabilità dimensionale.

Requisito fondamentale, nell’ottica di una diffusione di massa dei reattori, un ottimo rapporto prezzo-prestazioni. L’opportunità è ideale per i tecnopolimeri speciali da stampaggio ad iniezione e LATI ha già messo a punto prodotti ampiamente testati ed approvati dai costruttori.

LARTON G/40 I6 e I9: speciale formulazione di PPS rinforzato al 40% con fibra di vetro, matrice modificata in modo da offrire notevoli miglioramenti in termini di allungamento a rottura e resistenza all’urto.

Questo prodotto permette di sfruttare la straordinaria inerzia chimica del PPS senza però dover cercare compromessi con l’intrinseca fragilità e la ridotta flessibilità dei suoi compound.

Il LARTON G/40 I6 è inoltre studiato per garantire la massima fluidità in fase di stampaggio, in modo da ottimizzare il riempimento di cavità sottili senza dover eccedere con le condizioni di stampaggio e senza rischiare degradazione del materiale.
Ad un’ottima resistenza meccanica si associano poi anche prestazioni di rilievo per quanto riguarda l’affidabilità nel tempo, specialmente per la resistenza a deformazioni permanenti dovute ai carichi costanti imposti dalle forze applicate per la chiusura a pacco della batteria di elementi costituenti le celle.

LASULF: soluzione più tradizionale, i reattori preparati in PSU caricato con vetro (o non caricato) offrono ottima resistenza chimica e eccellente stabilità dimensionale anche nel tempo, evitando così qualunque problema con perdite di elettrolita e di gas.
Il costo maggiore di questo polimero rende adatto il LASULF più per applicazioni industriali che per impieghi di massa.

SOLARE TERMICO
Sicuramente la fonte di energia alternativa e rinnovabile cui spetterà una maggiore quota di applicazioni nel breve termine è il cosiddetto solare termico, ossia lo sfruttamento del calore prodotto dal sole per la produzione di acqua calda da integrare con quella prodotta tradizionalmente negli impianti di riscaldamento domestico.
A promuovere l’innovazione in questo settore, sicuramente giocano un ruolo fondamentale le recenti normative relative alla certificazione energetica degli edifici di nuova costruzione.
Per un’abitazione conforme agli standard più elevati previsti dalla norma è infatti necessario introdurre non solo i sistemi deputati al riscaldamento dell’acqua, ma anche i serbatoi combinati dedicati all’accumulo dell’acqua calda e le linee di trasporto relative, poi le caldaie a condensazione di nuova generazione ed i circuiti per il riscaldamento a pavimento.



Fig. 3 - Le applicazioni dei polimeri nel campo del solare termico sono molteplici

L’opportunità per il mondo dei tecnopolimeri è quindi particolarmente valida ed interessante, per la produzione non solo dei dispositivi impiegati direttamente nella cattura del calore solare ma anche dell’equipaggiamento necessario al loro funzionamento ed all’integrazione con gli impianti di riscaldamento di moderna concezione. Le caratteristiche richieste ai materiali sono naturalmente legate al tipo di manufatto che andranno a costituire. Nel caso dei pannelli, in linea di massima si possono riassumere in:

  • temperature di picco fino a 250°C per gli elementi in opera nelle unità riscaldanti;
  • temperature di funzionamento fino a 160°C;
  • possibile contatto con soluzioni di glicole etilenico in temperatura (vettore);
  • possibile esposizione agli UV ed altri agenti atmosferici;
  • aspettativa di vita esigente (20 anni);
  • necessaria stabilità dimensionale;
  • notevoli prestazioni meccaniche.

Le applicazioni più frequenti interessano la sostituzione dell’ottone e di altri metalli, quindi si ripropongono le valide alternative già descritte in precedenza, ossia PPS, PPA e PA66 rinforzate con fibra di vetro.

Un’attenta selezione dei gradi LARTON, LATAMID e LARAMID può infatti offrire una rapida risposta a molte esigenze di metal replacement, garantendo inoltre vantaggi in termini di peso e resistenza alla corrosione.

Le possibilità per i tecnopolimeri continuano poi nel settore della raccorderia idraulica, dove oltre ai materiali appena indicati trovano impiego i sulfonati come il PSU e il PES (LASULF e LAPEX A). Un discorso a sé stante meriterebbe infine la progettazione delle nuove caldaie a condensazione, dispositivo indispensabile per gli impianti di riscaldamento ad alta efficienza, in cui sono alloggiati elementi come giranti e ventole realizzati con i tecnopolimeri LATIOHM, antistatici e strutturali, conformi alla normativa europea per le atmosfere esplosive (ATEX), collettori di scarico resistenti al calore ed all’attacco acido dei fumi di scarico stampati in LARTON e LATAMID oltre che moltissimi altri particolari in compound.

RISPARMIO ENERGETICO
Come sostenuto da molti esperti, le energie alternative hanno senso solo se correttamente inquadrate in un contesto di integrazione alle fonti fossili tradizionali, almeno sul periodo medio-lungo.

É evidente che allora il risparmio di energia, in tutte le sue forme, costituisca un pilastro fondamentale per ogni serio piano di politica energetica.

Il contenimento degli sprechi può essere largamente affrontato integrando i materiali polimerici nell’ottica con cui si affrontano i nuovi progetti, soprattutto laddove debbano conseguirsi sostanziali riduzioni di peso senza però perdere resistenza e robustezza.

I settori che stanno già traendo notevole beneficio dall’introduzione dei compound speciali LATI sono molteplici, dall’automotive all’elettrodomestico, dalla meccanica all’idraulica ecc.

In tutti i casi il risultato ultimo deve condurre a risparmio energetico durante la produzione ed il funzionamento, senza però perdere di vista le prestazioni ed i costi. Le soluzioni che i compound LATI sono in grado di offrire sono innumerevoli ed ogni campo di impiego può essere esplorato facendo affidamento alle capacità di innovazione e supporto garantita dal laboratorio e dall’assistenza tecnica LATI.

4 Maggio 2010
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