The purpose of this work is to introduce the main solar thermodynamic technologies used to produced solar fuels. In the first chapter, after an introduction of the energetic background, the different technologies which use the Sun as primary source are analyzed, focusing on solar thermodynamic. With this kind of plants, which use an indirect process for radiation conversion, solar energy is converted into heat through a concentrator and becomes electricity through a conventional cycle. In the second chapter solar fuels and technologies to produce hydrogen, carbon monoxide and syngas are described. Since hydrogen is assuming more interest as fuel, the description of the entire life cycle is introduced. Hydrogen can be produced from both fossil fuels (steam reforming and gasification) and renewable sources (biomass gasification and electrolysis). The main advantage which derives from the production of hydrogen from renewable sources is zero carbon dioxide emissions. Through thermochemical processes which use high temperature heat and produce water splitting, high purity hydrogen is produced. Main technologies and reactors are described. The third chapter introduces the splitting process. It consists of the splitting of water and carbon dioxide in their elements through solar thermodynamic cycles. These consist of multi phases redox processes with temperatures which vary according to the metallic oxide. Temperatures are lower than 3300K which are necessary for the direct water splitting using only one step. This work focuses on three metallic oxide: cerium oxide, zinc oxide and sodium manganese oxide. The fourth chapter is focused on the process based on cerium oxide. This solution allows to have high speed reactions and remains solid during the whole cycle. Temperatures are high: 1800K and 1200K for redox reactions which happen in only one reactor. The fifth chapter focuses on zinc oxide which, during solar splitting, causes high reaction temperatures (until 2000K for reduction reactions). It needs a quench step because, during the cycle, it changes phases and the steps of the processes happen into two different reactors. The sixth chapter analyzes sodium manganese oxide which is the only through which the splitting process consists of three different steps. Beside redox reactions there is a third step of hydrolysis which separates manganese oxide from sodium hydroxide. Cycle temperatures are lower: 1700K, 900K and 300K for the three steps.

Il presente lavoro ha lo scopo di introdurre le principali tecnologie del solare termodinamico atte alla produzione dei combustibili solari. A tal proposito, nel primo capitolo, dopo un’introduzione sull’attuale scenario energetico, vengono analizzate le diverse tecnologie che sfruttano il Sole come fonte primaria, prestando una maggiore attenzione al solare termodinamico. Con impianti di questo tipo, per i quali il processo di trasformazione della radiazione è indiretto, l’energia solare viene prima convertita in calore attraverso un concentratore e successivamente trasformata in elettricità mediante un ciclo convenzionale. Nel secondo capitolo vengono presentati sia i combustibili solari sia le diverse tecnologie esistenti per la produzione di idrogeno, monossido di carbonio o in generale syngas. Data l’importanza e il crescente interesse nei confronti dell’idrogeno anche come combustibile, viene introdotto un quadro complessivo del suo ciclo di vita. In generale l’idrogeno può essere prodotto sia dai combustibili fossili (steam reforming e gassificazione) sia da fonti rinnovabili (gassificazione della biomassa e elettrolisi). Si riscontra che il grande vantaggio relativo alla sua produzione dalle rinnovabili consiste nell’avere emissioni di anidride carbonica nulle. Attraverso processi termochimici che utilizzano calore a elevata temperatura e che inducono lo splitting dell’acqua, è possibile rendere economicamente perseguibile l’ottenimento di idrogeno a elevata purezza. Viene fatta una presentazione delle tecnologie e dei reattori più significativi. Nel terzo capitolo si introduce il processo di splitting. Esso consiste nella scissione dell’acqua e dell’anidride carbonica nei rispettivi costituenti attraverso i cicli termochimici solari. Tali cicli sono processi redox di riduzione e ossidazione a più fasi, con temperature variabili a seconda dell’ossido metallico utilizzato. Permettono di mantenere valori inferiori ai 3300K, necessari invece per la scissione diretta dell’acqua con l’utilizzo di una singola fase. In tale lavoro si focalizza l’attenzione su tre ossidi metallici: l’ossido di cerio, l’ossido di zinco e l’ossido di sodio manganese. Nel quarto capitolo si analizza il processo con l’ossido di cerio. Quando utilizzato nei processi di splitting per la produzione dei combustibili solari, risulta essere molto interessante perché permette elevate velocità di reazione e rimane allo stato solido durante tutta la durata del ciclo. Le temperature sono elevate: 1800K e 1200K per le reazioni di riduzione e ossidazione, rispettivamente; normalmente le reazioni avvengono all’interno di un unico reattore chimico. Nel quinto capitolo si presenta l’ossido di zinco che nei processi di splitting solare comporta temperature di reazione molto elevate (fino a 2000K per la riduzione). Necessita di una fase aggiuntiva di quench perché, nel corso del ciclo, è soggetto a cambiamenti di fase e le fasi del processo si svolgono in due reattori distinti. Nel sesto capitolo si analizza l’ossido di sodio manganese che rispetto agli altri elementi precedentemente introdotti, è l’unico a svolgere il processo di splitting solare in tre fasi differenti. Oltre alla riduzione e ossidazione, è prevista una terza fase di idrolisi con cui si separa l’ossido di manganese dall’idrossido di sodio. Le temperature del ciclo, rispetto ai precedenti, sono inferiori: per le tre fasi rispettivamente sono circa 1700K, 900K e 300K.