Fraunhofer: elettricità da film elastomerici

L’acqua rimane la più importante fonte di energia rinnovabile della Baviera, dove viene utilizzata per produrre il 33% circa di tutta l’energia rinnovabile generata nel land tedesco, come rivela la Bavarian Energy Map. Tuttavia, le centrali idroelettriche tradizionali, e in particolare i micro-generatori, sono oggetto di controversie a causa dei volumi di produzione ridotti e della loro interferenza con l’ecosistema. I ricercatori Fraunhofer sono al lavoro su un’alternativa ecosostenibile: in futuro, materiali elastomerici innovativi convertiranno direttamente in energia elettrica l’energia meccanica prodotta dai piccoli corsi d’acqua.
Nell’ambito della sua politica energetica, il governo bavarese ha fissato nuovi obiettivi per la transizione a un’economia energetica maggiormente ecosostenibile: entro il 2025, il 40% circa del fabbisogno energetico della Baviera dovrà essere soddisfatto da fonti energetiche rinnovabili locali. Con il progetto Degreen, l’Istituto Fraunhofer per la Ricerca sui silicati (ISC) è impegnata a elaborare un approccio innovativo alla produzione di energia rinnovabile mediante l’impiego di energia idroelettrica. A tale scopo, i ricercatori di Würzburg utilizzano film elastomerici ultra-flessibili e ultra-sottili che fungono da condensatori. I film in silicone vengono rivestiti su entrambi i lati con uno strato elastico conduttivo, e dotati di uno strato isolante protettivo. Essi vengono poi installati in piccoli ruscelli e corsi d’acqua, dove la costante deformazione e il conseguente rilassamento degli elastomeri convertono l’energia cinetica meccanica dell’acqua direttamente in energia elettrica. L’acqua, scorrendo, deforma il film morbido dalle caratteristiche simili a quelle di un palloncino. La deformazione conferisce al film elastomerico una carica elettrica elevata, generata dal processo di allungamento. Il film passa quindi a una fase di rilassamento meccanico, tornando al suo stato originario.
“A questo punto, si è generata una grande quantità di energia elettrica che va a caricare un dispositivo di accumulo temporaneo situato su un circuito integrato: è da qui che poi l’energia viene prelevata. Questo ciclo di deformazione e rilassamento si ripete una volta al secondo”, spiega Bernhard Brunner, direttore del progetto e ricercatore in forza all’Istituto Fraunhofer ISC. “Applicando un potenziale di 4000 volt, per ogni deformazione è possibile generare 100 milliwatt di energia elettrica per ciascun film”.
Ma come viene ottenuta questa deformazione ciclica del film? Brunner e il suo team hanno implementato un intelligente concetto di eccitazione meccanica. L’acqua scorre attraverso uno stretto tubo, accumulando pressione atmosferica negativa (concetto noto anche come “effetto Venturi”): ciò provoca la deformazione del film elastomerico (v. la sezione trasversale del tubo di Venturi). Si apre quindi una valvola di aerazione, che compensa la pressione negativa e fa tornare il film elastomerico allo stato non deformato.
Ciò che rende il progetto veramente ingegnoso è il fatto che la valvola di aerazione si auto-controlla: si apre e si chiude autonomamente senza richiedere componenti elettronici o energia elettrica.

Luogo ideale: ruscelli e corsi d’acqua

Modificando il diametro del film, i ricercatori sono in grado di regolare la pressione. Di conseguenza, il generatore può essere adattato alla portata. Il sistema, costituito da film, tubo, valvola, pompa, condotto dell’aria, elettronica e raddrizzatore, presenta una struttura modulare. I tubi, anch’essi caratterizzati da un diametro flessibile, vengono regolati in base alla profondità e alla larghezza del corso d’acqua, e possono essere posizionati uno sull’altro, uno dietro l’altro, oppure affiancati. Ad esempio, in presenza di un corso d’acqua largo ma lento, è consigliabile installare i tubi uno accanto all’altro. “Un importante vantaggio che questo concetto offre è la flessibilità: il sistema può essere utilizzato in acque di qualsiasi profondità, perché imbriglia la fluida energia dell’acqua. I generatori a elastomero sono ideali per i piccoli corsi d’acqua, e possono operare con portate di appena 0,5 metri al secondo e a profondità di soli 0,5 metri. La Baviera presenta una rete di piccoli corsi d’acqua che però, messi insieme, coprono una lunghezza di circa 30.000 chilometri. Questo sistema, che non risente dell’azione del vento o del sole, rappresenta la soluzione perfetta per sfruttare questa fonte di energia. Installando 1000 di questi generatori, la Baviera potrebbe avvicinarsi di molto alla transizione a fonti energetiche più ecosostenibili”, afferma Brunner. Nel complesso, un sistema di questo tipo sarebbe in grado di introdurre nella rete elettrica 876 MWh di energia all’anno. Anche Austria e Svizzera, ricche di ruscelli di montagna, nonché i paesi in via di sviluppo, potrebbero trarre notevole beneficio da questo innovativo concetto di eccitazione meccanica.

Alimentazione energetica decentralizzata

I generatori a elastomero sono concepiti per operare silenziosamente in corsi d’acqua lenti e piccoli, privi di briglie; essi si prestano a essere utilizzati, ad esempio, come alimentatori locali per aree di campeggio o insediamenti rurali situati nelle immediate vicinanze di corsi d’acqua.
In laboratorio, Brunner e il suo team sono attualmente impegnati a sviluppare due tipologie di generatore, uno galleggiante e uno da fissare a riva, oltre che a miniaturizzarne le dimensioni. Prima della conclusione del progetto, i ricercatori prevedono di riuscire a creare un sistema resistente ad agenti atmosferici e inondazioni delle dimensioni di una centralina di controllo. Oltre ai test eseguiti in laboratorio, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer collaborano a stretto contatto con le autorità locali per il sistema idrico e l’ambiente, per effettuare prove sul campo con prototipi nei fiumi Wern e Tauber, che offrono condizioni sperimentali realistiche. L’obiettivo consiste nel generare 100 Watt di energia elettrica in continuo per ciascun generatore.

Il progetto Degreen

Il progetto Degreen, o per esteso “Dielectric Elastomer Generators for REnewable ENergy” (ovvero “Generatori a elastomero dielettrico per energia rinnovabile”) rientra nel programma del governo regionale bavarese per la ricerca e lo sviluppo tecnologico nel settore dell’energia. L’Istituto Fraunhofer per la Ricerca sui silicati (ISC) è responsabile della coordinazione del progetto, avviato a maggio 2012. I ricercatori, riuniti presso la sede di Würzburg, sono impegnati a studiare come imbrigliare il potenziale inutilizzato utilizzando generatori costituiti da film elastici (ad esempio in piccoli corsi d’acqua corrente) in modo economico ed ecosostenibile. Questa tecnologia innovativa consente di convertire l’energia meccanica direttamente in energia elettrica. Ecologico e resistente, il sistema non contiene componenti rotanti o mobili che possano disturbare i pesci. Altri vantaggi includono la silenziosità e l’assenza di terre rare e metalli pesanti, presenti invece nei generatori elettrici convenzionali. Il progetto Degreen è finanziato dal Ministero bavarese per gli Affari economici, i Media, l’Energia e la Tecnologia con un budget di otto milioni di euro, e proseguirà fino a maggio 2019.

Sezione trasversale del tubo di Venturi. Quando l’acqua scorre nel tubo di ingresso, si accumula una pressione negativa che costringe il film elastomerico (al centro dell’immagine) a espandersi verso l’interno. © Fraunhofer ISC

Bernhard Brunner, direttore del progetto e ricercatore dell’Istituto Fraunhofer ISC

Collaudo sul campo dei generatori Degreen in un piccolo corso d’acqua: le membrane di silicone vengono eccitate meccanicamente dalla pressione negativa accumulata nei tubi di Venturi sotto alla struttura galleggiante. © Fraunhofer ISC