Dalle pale delle turbine eoliche ai serbatoi per lo stoccaggio dell'idrogeno: perché la fibra di carbonio è diventata il «riferimento» nei materiali per l’energia?

Contro lo sfondo dell'accelerazione della transizione energetica globale verso soluzioni a basse emissioni di carbonio e pulite, i materiali stanno emergendo silenziosamente come fattore chiave per il progresso delle tecnologie energetiche. Dalle pale delle turbine eoliche lunghe oltre cento metri ai serbatoi ad alta pressione per l'immagazzinamento dell'idrogeno, la fibra di carbonio è sempre più presente nelle apparecchiature fondamentali per le nuove fonti energetiche, evolvendosi gradualmente da "materiale d'alta gamma" a standard essenziale nel settore energetico.

Quali capacità consentono a questa fibra nera, apparentemente ordinaria, di occupare una posizione insostituibile in settori critici come l'energia eolica e quella derivata dall'idrogeno?

Le pale delle turbine eoliche impongono esigenze estreme ai materiali.

L'energia eolica, una delle forme più mature di energia pulita oggi disponibili, continua a evolversi verso potenze nominali maggiori (in megawatt) e pale più lunghe. Pale più lunghe aumentano l'area spazzata, migliorando teoricamente l'efficienza della generazione di energia. Tuttavia, questa tendenza pone sfide estreme alle prestazioni dei materiali.

Le pale in fibra di vetro tradizionali spesso presentano problemi strutturali e di fatica a causa del loro eccessivo peso proprio, che aumenta con la lunghezza delle pale. La fibra di carbonio, grazie ai suoi eccezionali vantaggi in termini di resistenza specifica e modulo specifico, rappresenta una soluzione superiore per conseguire la «riduzione del peso e il miglioramento dell’efficienza» nelle pale delle turbine eoliche.

L’integrazione di compositi rinforzati con fibra di carbonio nelle aree critiche soggette a carico, come l’anima principale (main spar) e le zone di rinforzo, riduce in modo significativo il peso complessivo della pala, migliorandone contemporaneamente in misura sostanziale la rigidità e la vita a fatica. Ciò non solo consente ulteriori progressi nella lunghezza delle pale, ma riduce anche i carichi legati al trasporto, all’installazione e al funzionamento dell’intera turbina, aprendo la strada allo sviluppo dell’eolico offshore e dei parchi eolici in regioni a bassa velocità del vento.

Serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno: il supporto fondamentale per la leggerezza e la sicurezza

Se l'energia eolica rappresenta il "lato della generazione" delle nuove energie, allora l'energia idrogeno costituisce una direzione fondamentale per lo stoccaggio e l'utilizzo dell'energia. All'interno del sistema dell'energia idrogeno, lo stoccaggio sicuro ed efficiente di idrogeno ad alta pressione rimane una sfida chiave inevitabile.

Gli attuali serbatoi di stoccaggio di idrogeno ad alta pressione di Tipo III e Tipo IV, predominanti sul mercato, utilizzano quasi esclusivamente strutture avvolte in composito di fibra di carbonio. Rispetto ai tradizionali serbatoi metallici, i serbatoi di idrogeno in fibra di carbonio presentano significativi vantaggi su più fronti:
(1) Peso ridotto: peso notevolmente inferiore per una medesima capacità di stoccaggio di idrogeno, con conseguente miglioramento dell'efficienza complessiva del veicolo o del sistema.
(2) Eccellente resistenza alla pressione: in grado di soddisfare le esigenze di stoccaggio ad alta pressione a 35 MPa, 70 MPa e oltre.
(3) Resistenza alla corrosione e alla fatica: resistente all'indurimento da idrogeno, garantendo sicurezza e affidabilità a lungo termine.

Di conseguenza, la fibra di carbonio è diventata un materiale fondamentale indispensabile nei veicoli a celle a combustibile e nei sistemi di stoccaggio/trasporto dell’idrogeno.

Perché la fibra di carbonio è così "speciale"?

I vantaggi prestazionali della fibra di carbonio derivano dalla sua microstruttura unica.

Gli atomi di carbonio sono disposti in modo altamente orientato, formando una struttura cristallina simile a quella del grafite; nonostante i diametri delle fibre siano tipicamente compresi tra 5 e 10 micrometri, queste possono sopportare carichi di trazione estremamente elevati. Contestualmente, grazie a trattamenti superficiali e alla progettazione della struttura del tessuto, la fibra di carbonio può formare legami stabili con i sistemi resinosi, soddisfacendo le esigenze strutturali di diverse apparecchiature energetiche.

È proprio questa flessibilità nella progettazione strutturale e dei processi che consente ai compositi in fibra di carbonio di raggiungere un equilibrio senza pari tra resistenza, rigidità, peso e durabilità.

Storicamente, l’elevato costo della fibra di carbonio ne ha limitato in misura significativa l’ applicazione espansione. Tuttavia, negli ultimi anni i progressi tecnologici e l’aumento della scala di applicazione hanno gradualmente modificato questo scenario:
(1) La maturità della tecnologia delle fibre di carbonio a grande filato ha determinato una continua riduzione dei costi unitari.
(2) L’ottimizzazione continua dei materiali precursori e dei processi produttivi ha migliorato l’efficienza produttiva.
(3) Le tecnologie per il riciclo e il riutilizzo stanno progressivamente migliorando.
(4) La crescente domanda nel settore energetico sta trainando lo sviluppo industriale su larga scala.
Considerando sia le prestazioni complessive sia i costi totali sull’intero ciclo di vita, l’utilizzo delle fibre di carbonio nelle attrezzature energetiche sta diventando sempre più economicamente vantaggioso.

Oltre all’energia eolica e all’energia idrogeno, l’ambito delle applicazioni energetiche continua ad ampliarsi.

Oltre alle pale delle turbine eoliche e ai serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno, i confini applicativi delle fibre di carbonio nel settore energetico continuano ad espandersi, ad esempio:
(1) Strutture di fissaggio per impianti fotovoltaici e componenti strutturali
(2) Componenti strutturali e protettivi negli impianti nucleari
(3) Componenti resistenti alla corrosione negli impianti per l'energia oceanica
(4) Strutture per la trasmissione e il rinforzo della rete elettrica

È prevedibile che, con il continuo progresso delle tecnologie per le energie rinnovabili, le fibre di carbonio giocheranno un ruolo in ambiti sempre più critici.

Dalle pale delle turbine eoliche che ruotano contro il vento ai serbatoi per lo stoccaggio dell'idrogeno operanti in pressione, le fibre di carbonio stanno ridefinendo la logica dei materiali impiegati negli impianti energetici. Esse rappresentano non solo una scelta di materiale più leggero e resistente, ma incarnano anche la comune ricerca di efficienza, sicurezza e affidabilità nell’era delle nuove energie.

Mentre le fibre di carbonio passano da una «scelta premium» a uno «standard industriale nel settore energetico», questo passaggio riflette non soltanto i progressi compiuti nelle scienze dei materiali, ma anche una scelta inevitabile nel contesto della transizione energetica.

Nei futuri sistemi energetici, la fibra di carbonio potrebbe diventare diffusa quanto l'acciaio oggi—ma più leggera, più resistente e meglio allineata con gli obiettivi di sviluppo sostenibile.