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May 09, 2023

Behebung fraktaler Korrosion in Gen3 CSP durch Ranga Pitchumani

Gepostet am 9. Juni 20239. Juni 2023AutorinSusan Kraemer Wie ein neuartiger fraktaler Stahl

Gepostet am 9. Juni 20239. Juni 2023AutorinSusan Kraemer

Wie eine neuartige fraktale Stahlbeschichtung Korrosion in Gen3 CSP verhindert, beschrieben in „Novel fractal-textured solar absorber surface for konzentrierte Solarenergie“, veröffentlicht bei Elsevier: Solar Energy Materials and Solar Cells

Wir haben uns kürzlich mit Dr. Ranga Pitchumani getroffen, der leitender Wissenschaftler der SunShot-Initiative, Gründungsdirektor des Concentrating Solar Power (CSP)-Programms und Direktor des Systems (Grid) Integration-Programms der Initiative beim US-Energieministerium war ( DAMHIRSCHKUH). Er ist jetzt zurück in seiner akademischen Heimat an der Virginia Tech, wo er den George R. Goodson Endowed Chair Professor für Maschinenbau innehat. Er leitet das Advanced Materials and Technologies Laboratory für eine breite Palette von Projekten im Bereich Energie-Materialien und unterrichtet eine neue Generation von Studenten in nachhaltigen Energielösungen.

SK:Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, mit mir zu sprechen.

RP:Es ist mir eine Freude, nach all den Jahren mit Ihnen in Kontakt zu treten, Susan.

SK: Ich möchte mehr über Ihren neuen Artikel über den Einsatz fraktaler Oberflächen zur Reduzierung von Korrosion erfahren. Aber zuerst, um zu verstehen, warum; Dieses andere Papier, das Sie kürzlich mitverfasst haben, behandelt so viele andere Versuche, Korrosion in CSP zu lösen. Es muss die umfassendste Studie aller Zeiten sein. (Fortschritte und Möglichkeiten bei der Korrosionsminderung in Wärmeübertragungsflüssigkeiten für konzentrierende Solarenergie der nächsten Generation 2023)

RP: Ja. Dies ist ein sehr detaillierter Überblick über die bisherigen Arbeiten zur Korrosion von Legierungen in geschmolzenen Salzen, flüssigen Metallen und überkritischem CO2. Es ist eine schöne Sammlung von Einblicken in Korrosionsmechanismen und die verschiedenen Ansätze zu deren Eindämmung. Obwohl es auf der ganzen Welt zahlreiche Studien zur Eindämmung von Korrosion gibt, bringt das Papier sie auf eine gemeinsame Plattform, um künftige Bemühungen auf die Bedürfnisse von Gen3 CSP zu konzentrieren.

SK: Ich weiß, dass Sie zu vielen Aspekten der Materialwissenschaft veröffentlicht haben. Warum ist Korrosion jetzt für CSP wichtig?

RP: Einer der großen Vorteile von CSP ist, dass es Wärmeenergie speichern kann. Das ist ein schönes Plus, aber auch eine Herausforderung, wenn es darum geht, CSP auf die nächste Stufe zu bringen, bei der die Stufenkosten von CSP niedriger sein müssen. Eine Möglichkeit, CSP kosteneffektiv zu machen, besteht darin, die Betriebstemperatur der Anlage zu erhöhen, sodass überkritisches CO2 oder Arbeitsmedium mit höherer Temperatur zur Stromerzeugung in das Energieumwandlungssystem geleitet wird. Das DOE strebt einen Gen3-CSP von über 650 °C und bis zu 750 °C oder mehr an. Angesichts der angestrebten höheren Betriebstemperaturen ist Korrosion ein vorrangiges Problem im Flüssigkeitspfad für Gen3-CSP, wo die durch die Sonnenstrahlung konzentrierte Wärme in geschmolzenen Salzen oder flüssigen Metallen als Wärmeübertragungsflüssigkeiten eingefangen wird.

SK:Sind die 6 oder 7 GW CSP, die es derzeit gibt, korrosionsgefährdet?

RP: Ach nein. Solare Salzkorrosion ist im Allgemeinen gut verstanden und in aktuellen (Gen2) CSP-Kraftwerken gut eingedämmt. Die ungelöste Herausforderung der Korrosion entsteht, wenn man CSP auf höhere Temperaturen bringt, bei denen die verwendbaren Wärmeübertragungsflüssigkeiten wie Chloride, Carbonate usw. extrem korrosiv auf die Einschlusslegierungen wirken. Damit das CSP der nächsten Generation Früchte tragen kann, müssen alle Puzzleteile gut ineinandergreifen, wie z. B. Hochtemperaturempfänger, Lösungen zur Eindämmung der Korrosion aufgrund der Wärmeübertragungsflüssigkeiten, ein hocheffizienter überkritischer CO2-Kraftblock usw.

SK: Also sind alle diese Papiere nur für CSP der nächsten Generation und Wärme für die Industrie und Solarthermochemie in Reaktoren bei höheren Temperaturen gedacht?

RP: Denn hier liegt das Problem, und es wird umso schwerwiegender, je höher die Temperaturen sind. Eine umgangssprachliche Aussage des Arrhenius-Gesetzes besagt, dass mit steigender Temperatur die Hölle losbricht, was bedeutet, dass die Korrosionsrate dramatisch ansteigt. Es mag also wie eine kleine Änderung von 565 °C, wo bestehende Anlagen betrieben werden, auf 650 °C erscheinen. Das sind nur 85 Grad mehr. Aber selbst dieser Temperaturunterschied wirkt sich stark auf die Korrosion aus, da die Korrosionsgeschwindigkeit exponentiell von der Temperatur abhängt.

Grundsätzlich gibt es in verschiedenen Anwendungen seit langem Probleme mit Hochtemperaturmaterialien. Gasturbinen zum Beispiel sind der Ursprung vieler Hochtemperaturbeschichtungen und vieler Materialinnovationen, weil sie enormen Temperaturen von über 1000 °C ausgesetzt sind. Für CSP besteht die Herausforderung angesichts der zusätzlichen niedrigen Kostenanforderung für die Kommerzialisierung darin, Leistungs- und Kostenziele gleichzeitig zu erreichen. Es ist also ein fruchtbarer Boden, auf dem Materialwissenschaftler, Physiker, Chemiker und Ingenieure ihre kreativen Ideen erforschen und Lösungen entwickeln können.

Fraktale Texturierung von Metall verhindert Korrosion in Gen3 CSP – aus dem Papier Neuartige fraktal strukturierte Solarabsorberoberflächen für konzentrierte Solarenergie

SK:Und Sie beschreiben in diesem Artikel, dass Sie durch die Erneuerung der Oberfläche des Behälters einen völlig anderen Ansatz zur Korrosion entwickelt haben: Neuartige fraktal strukturierte Solarabsorberoberflächen für konzentrierte Solarenergie

RP: Ja, vor ein paar Jahren hatten wir stark strukturierte Multiskalenoberflächen entwickelt, die bei niedrigen Temperaturen unter 100 °C eine sehr gute Korrosionsminderung bieten. Wir haben eine Patentanmeldung zu den Betriebsbedingungen, unter denen wir die Beschichtungen herstellen und diese Texturen erzeugen.

Dann war die Idee: Können wir das Problem der Hochtemperaturkorrosion umgehen? Und hier begann unsere Arbeit zur Eindämmung der Korrosion durch geschmolzenes Salz.

In einem kürzlich vom DOE finanzierten Programm haben wir Beschichtungen entwickelt, bei denen es sich um stark strukturierte Multiskalen-Fraktale handelt, die wie eine Schneeflocke aussehen. Wenn man weiter hineinzoomt, erhält man sogenannte selbstähnliche Strukturen, die die Korrosion durch geschmolzene Karbonate und Chloride sehr wirksam verringern 750 °C.

Das Schöne ist, dass die strukturierten Beschichtungen durch industriell skalierbare Verfahren – wie Elektroabscheidung, chemisches Ätzen usw. – auf jedem beliebigen Basislegierungsmaterial hergestellt werden. Wirklich praktische Industrielösungen.

Wir konnten also zeigen, dass wir mit diesen Beschichtungen die Korrosion auf kostengünstigen Eisenlegierungen im Vergleich zu unbeschichteten Substraten drastisch reduzieren können, aber nicht nur das: Wir können auch erreichen, dass die Korrosionsraten unter denen von liegen teure Legierungen mit hohem Nickelgehalt wie Haynes 230, die oft für Hochtemperatur-CSP-Anwendungen in Betracht gezogen werden. Die Beschichtungen sind über einen langen Zeitraum stabil und die Texturierung des Metalls verursacht keine Probleme für die Umwelt oder die persönliche Sicherheit.

Das ist fantastisch, denn jetzt gibt es einen praktikablen Ansatz für kostengünstige Strukturlegierungen, um in Hochtemperatur-Konzentrations-Solarthermieanwendungen korrosionsbeständig gegenüber Wärmeübertragungsflüssigkeiten und Speichermedien zu sein. Unser aktueller Artikel in Renewable and Sustainable Energy Reviews erläutert die Innovation und die Ergebnisse im Detail.

SK:Aber ist das günstiger?

RP: Ja. Wir haben eine sehr detaillierte Kostenanalyse durchgeführt, um zu zeigen, dass nicht nur die Korrosionsrate geringer, sondern auch günstiger ist. Wir nutzen grundsätzlich industriell weit verbreitete Prozesse, die kostengünstig und skalierbar sind. Und die Beschichtungen reduzieren die Korrosion bei kostengünstigen Legierungen. Daher können Sie in einem Salzschmelze-Wärmetauscher beschichtete, kostengünstige Legierungen auf Eisenbasis wie Edelstahl oder sogar Legierungen mit niedrigem Nickelgehalt verwenden. Beispielsweise sind bei beschichteten Edelstahllegierungen die Kosten für den Wärmetauscher im Vergleich zu Haynes 230 mindestens 30–40 % günstiger.

SK:Gibt es für fraktale Beschichtungen verwandte CSP-Anwendungen?

RP: Wir arbeiten auch an Solarabsorberbeschichtungen für Hochtemperaturreceiver, bei denen das Sonnenlicht auf den Turm konzentriert wird. Das ist eine weitere vom DOE finanzierte Initiative, auf die ich stolz bin. Wir erreichen mit unseren Beschichtungen sehr hohe Wirkungsgrade von etwa 95 %, die bei isothermer und zyklischer Einwirkung hoher Temperaturen über längere Zeiträume nur eine sehr geringe Verschlechterung zeigen. Das Beeindruckende daran ist, dass der Absorptionsgrad zwar hoch ist, der Emissionsgrad der Absorberbeschichtung jedoch nur etwa 0,45 beträgt, was zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad führt. Die Beschichtungen sind extrem widerstandsfähig gegenüber mechanischem Verschleiß, Temperaturschock und Sandeinwirkung und eignen sich daher hervorragend für Gen3 CSP.

SK:Emission…?

RP: Wenn Sie eine Beschichtung haben, die das Sonnenlicht gut absorbiert, neigt sie auch dazu, gut wieder nach außen zu strahlen; Es gibt viel Wärme ab, sodass die Gesamteffizienz der Aufnahme verringert wird.

Die fraktalen Texturen auf unserer Absorberoberfläche haben kleine lichteinfangende Höhlen, kleine Hohlräume, in denen Licht hin und her reflektiert wird. Wir können die Texturmerkmale und ihre Konfiguration so anpassen, dass sie von Mikrometern bis hin zu Nanometern reichen. Auf diese Weise können wir die Absorption der verschiedenen Wellenlängen des Lichtspektrums anpassen – mehr in den gewünschten niedrigeren Wellenlängen, dem sichtbaren Bereich, und weniger im Infrarotbereich, dem langwelligen Bereich.

Wir haben die Beschichtungen ausgiebig bei hohen Temperaturen getestet; Die Beschichtungen sind sehr stabil. Wir haben Sand darauf gestreut, es in Wasser getaucht; es ist stabil. Wir haben es bei 750 °C aus dem Ofen genommen und sofort in einem eiskalten Bad abgeschreckt; Die optischen Eigenschaften bleiben stabil. Es ist wirklich eine robuste Lösung für Hochtemperatur-CSP.

SK:Diese beiden Oberflächeninnovationen wären also für den Einsatz bei höheren Temperaturen gedacht?

RP: Ja, sie halten Temperaturen von über 650 °C für CSP der nächsten Generation sehr gut stand. Abgesehen von CSP könnte jeder solarthermische Prozess bei hohen Temperaturen, wie z. B. Industriewärme, von diesen Innovationen profitieren. Wir haben die Stabilität der Beschichtungsleistung bei 750 °C nachgewiesen. Daher wäre auch jede Anwendung bei mittleren bis niedrigen Temperaturen von Vorteil. Das sind unheimlich spannende Innovationen und ich bin wirklich stolz auf das, was unsere Gruppe leistet.

SK: Was passiert mit so etwas, wenn man im Universitätslabor etwas völlig Neues, Verbessertes erfunden hat? Lizenziert es jemand?

RP: Ja, das ist das Ziel. Wir haben Patente angemeldet. Und wir haben bei den Dauertests in unserem Labor und einigen Tests bei Sandia viel Sorgfalt walten lassen; Die Beschichtung hat gut gehalten. Wir planen außerdem, am NREL branchenübliche Tests durchzuführen, um die Beschichtungsleistung zusätzlich durch Dritte zu validieren. Das ist also unser Weg zum Markt. Wir freuen uns über Diskussionen mit allen Interessierten zu diesen Innovationen.

SK:Sehen Sie, dass neue MINT-Talente sich der aufregenden neuen Möglichkeiten zur Lösung von Problemen bewusst sind, wenn sich CSP hin zu noch höheren Temperaturanwendungen wie der Solarthermochemie weiterentwickelt?

RP: Sie sind auf jeden Fall viel sachkundiger und sich der Nachhaltigkeit im Allgemeinen bewusster als noch vor einigen Jahren. Sie sind damit aufgewachsen, Teslas zu sehen oder damit zu fahren, und haben Sonnenkollektoren auf ihren Dächern oder in ihrer Nachbarschaft gesehen. In den Medien gibt es viel mehr Bewusstsein und Diskussion über Klimawandel und erneuerbare Energien. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sie diese Probleme kennen und sich darum kümmern. Es ist überall um sie herum.

Aber Sie möchten niemanden nur für CSP, PV oder Batterien ausbilden. Was ich sehen möchte, ist ein allgemeines Interesse an der Lösung gesellschaftlicher Probleme durch fundierte Wissenschaft und Technik.

Sie brauchen also fantastische Ingenieure, fantastische Materialwissenschaftler, fantastische Physiker und Chemiker, die gemeinsam an der Lösung von Problemen für CSP arbeiten. Mein Kurs zu nachhaltigen Energielösungen wird von nicht nur einer Disziplin belegt. Ich bekomme Studenten aus den Bereichen Ingenieurwesen, Wirtschaft, Naturwissenschaften, Architektur usw. Meine Aufgabe besteht darin, sie mit den Problemen in der Energie-/Nachhaltigkeitslandschaft aus technischer/wirtschaftlicher/politischer Sicht vertraut zu machen und ihre Leidenschaft zu wecken. Sie mit der Zuversicht und dem Ziel zu absolvieren, dass sie die Architekten der Lösung für dieses Problem sein werden, in das wir geraten sind.

Mehr Lektüre: Neuartige strukturierte Oberflächen für überlegene Korrosionsminderung in geschmolzenen Karbonatsalzen zur Konzentration von Solarenergie Kondaiah, P., & Pitchumani, R. (2022). Neuartige strukturierte Oberflächen für überlegene Korrosionsminderung in geschmolzenen Karbonatsalzen zur Konzentration von Solarenergie. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 170, 112961. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112961

Fortschritte und Möglichkeiten bei der Korrosionsminderung in Wärmeübertragungsflüssigkeiten für konzentrierende Solarenergie der nächsten Generation Kondaiah, P. & Pitchumani, R. (2023). Fortschritte und Möglichkeiten bei der Korrosionsminderung in Wärmeübertragungsflüssigkeiten für konzentrierende Solarenergie der nächsten Generation. Erneuerbare Energie, 205, 956-991. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.01.044

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KategorienCSP-Nachrichten und -Analysen