Convertire il calore in elettricità senza nessun componente meccanico in movimento, nessuna turbina, nessun pistone: è quello che promettono le celle termofotovoltaiche, una tecnologia che da anni occupa i laboratori di ricerca di mezzo mondo e che oggi, con risultati sempre più incoraggianti, si avvicina a possibili applicazioni concrete nel settore industriale. Il principio di fondo è elegante nella sua semplicità, ma la sfida tecnica è tutt’altro che banale.
Come funziona la conversione termica diretta
Il termofotovoltaico (TPV, dall’inglese thermophotovoltaic) sfrutta la radiazione infrarossa emessa da una sorgente calda per generare corrente elettrica, esattamente come un pannello solare tradizionale converte la luce del sole. La differenza fondamentale sta nella sorgente: non la luce visibile, ma il calore — e più precisamente la radiazione termica che ogni corpo caldo emette.
In un sistema TPV, un emettitore riscaldato a temperature elevate irradia fotoni verso una cella fotovoltaica appositamente progettata per assorbirli. Questa cella converte la radiazione in corrente. Non esistono parti in movimento, il che significa meno usura meccanica, meno manutenzione, meno rumore e potenzialmente maggiore affidabilità nel lungo periodo rispetto a turbine o motori a ciclo termodinamico tradizionali.
La chiave tecnica sta nella corrispondenza tra lo spettro di emissione dell’emettitore e il bandgap — cioè la soglia energetica — del materiale semiconduttore della cella. Se questa corrispondenza non è precisa, i fotoni con energia troppo bassa non vengono assorbiti, e quelli con energia troppo alta disperdono parte dell’energia in calore. Ottimizzare questo equilibrio è il cuore della ricerca attuale.
Celle a base di InAs/InAsSb: materiali pensati per l’infrarosso
Tra le soluzioni più studiate per migliorare questa corrispondenza spettrale c’è la tecnologia basata su InAs/InAsSb, ovvero leghe di arseniuro di indio e arseniuro di indio-antimonio. Questi materiali semiconduttori hanno un bandgap sufficientemente basso da rendere le celle sensibili a lunghezze d’onda nell’infrarosso medio, dove si concentra gran parte della radiazione emessa da sorgenti termiche a temperature relativamente moderate rispetto a quelle siderurgiche o nucleari.
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L’Université de Montpellier è tra i centri di ricerca che hanno lavorato su celle termofotovoltaiche con questo tipo di approccio materiale. La ricerca in questo campo è ancora in fase di sviluppo avanzato, e i risultati specifici di efficienza di conversione raggiungibili con queste strutture rimangono oggetto di studio e verifica sperimentale. Quello che emerge dalla letteratura tecnica è che i materiali a basso bandgap aprono scenari interessanti per sorgenti termiche non necessariamente a temperature estreme.
Sul fronte delle efficienze complessive, un risultato significativo è stato pubblicato nel 2022 da ricercatori del MIT e del NREL (National Renewable Energy Laboratory): il loro motore termico senza parti mobili basato su principi termofotovoltaici ha raggiunto un’efficienza di conversione di circa il 40%, un dato che ha attirato l’attenzione della comunità scientifica internazionale. Per contestualizzarlo: molti sistemi di recupero termico industriale convenzionali operano con efficienze significativamente inferiori, e anche le turbine a vapore di piccola taglia raramente superano il 30-35% in condizioni reali.
Perché il recupero termico industriale è il banco di prova più promettente
L’industria è disseminata di calore sprecato. Forni, fonderie, cementifici, impianti chimici, raffinerie: tutti questi processi producono enormi quantità di calore che vengono disperse nell’ambiente senza essere sfruttate. Si tratta di un’inefficienza energetica strutturale che ha costi economici e ambientali rilevanti.
Le tecnologie attuali per il recupero termico industriale — scambiatori di calore, cicli Rankine organici, turbine a gas di recupero — funzionano bene in determinati range di temperatura e scala, ma presentano limiti importanti: complessità meccanica, costi di installazione elevati, necessità di manutenzione continua e spesso una soglia minima di temperatura e potenza sotto la quale non risultano economicamente convenienti.
Le celle termofotovoltaiche potrebbero colmare alcuni di questi spazi vuoti. In teoria, un modulo TPV può essere posizionato vicino a una sorgente calda — una parete di forno, un condotto di gas di scarico, una superficie radiante — e convertire direttamente la radiazione termica in elettricità, senza bisogno di fluidi di lavoro, pompe o turbine. La scalabilità è un altro vantaggio potenziale: i moduli possono essere combinati in modo modulare, adattandosi a sorgenti di diverse dimensioni.
Detto questo, restano sfide concrete da affrontare. La durata delle celle in ambienti industriali aggressivi, i costi dei materiali semiconduttori come l’indio, la gestione termica del sistema per evitare che la cella stessa si surriscaldi: sono tutti aspetti su cui la ricerca è ancora attiva e che determineranno la reale competitività della tecnologia.
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Accumulo energetico e generazione notturna: un’applicazione meno ovvia
C’è un’applicazione delle celle termofotovoltaiche che merita attenzione proprio perché meno intuitiva: l’integrazione con sistemi di accumulo termico ad alta temperatura per generare elettricità anche quando il sole non c’è.
L’idea è quella di usare l’energia elettrica in eccesso — prodotta da fotovoltaico o eolico nelle ore di picco — per riscaldare un materiale di accumulo (come grafite o silicio fuso) a temperature molto elevate. Questo calore viene poi rilasciato gradualmente e convertito in elettricità tramite celle TPV nelle ore in cui la domanda supera la produzione rinnovabile. Il risultato sarebbe un sistema di accumulo termico-elettrico con potenziale competitività rispetto alle batterie elettrochimiche su scala di rete, soprattutto per stoccaggi di lunga durata.
Alcune aziende e gruppi di ricerca stanno esplorando questo percorso, anche se i sistemi commerciali su larga scala non sono ancora disponibili. La IEA segnala lo stoccaggio termico ad alta temperatura tra le opzioni di accumulo di lungo periodo da sviluppare nei prossimi anni, un contesto in cui le celle TPV potrebbero trovare un ruolo specifico.
Dove si trova oggi la tecnologia
Il termofotovoltaico non è ancora una tecnologia matura da catalogo. I sistemi esistenti sono prevalentemente prototipi o dimostratori su piccola scala. I costi dei materiali semiconduttori a basso bandgap rimangono elevati, e la produzione su larga scala di celle ad alta efficienza richiede processi di fabbricazione sofisticati come l’epitassia da fasci molecolari (MBE) o la deposizione chimica da vapore organometallico (MOCVD), che non sono economici.
Tuttavia, la traiettoria è chiara. I progressi negli ultimi anni — sia sul piano dell’efficienza che su quello dei materiali e delle architetture di cella — sono stati sostanziali. L’interesse industriale cresce, soprattutto in settori ad alta intensità termica che cercano soluzioni per ridurre i consumi energetici e rispettare obiettivi di decarbonizzazione sempre più stringenti.
Le celle termofotovoltaiche non sostituiranno le turbine a vapore nei grandi impianti di potenza nel breve periodo. Ma per il recupero termico distribuito, per la generazione da calore di scarto, per l’accumulo energetico stazionario, rappresentano una direzione tecnologica concreta — con basi fisiche solide e risultati sperimentali che giustificano l’attenzione che i laboratori di tutto il mondo continuano a dedicarci.
Questo articolo è stato realizzato con il supporto dell'AI e sottoposto a revisione editoriale.
