Neue Solartechnik kann die Hitze und den Druck aufnehmen
Neues Material und Herstellungsverfahren zur Nutzung der Sonnenwärme
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Solarstrom macht weniger als 2 Prozent des US-Stromes aus, könnte aber mehr als das ausmachen, wenn die Kosten für die Stromerzeugung und Energiespeicherung zur Nutzung an bewölkten Tagen und in der Nacht billiger wären.
Eine neuere Entwicklung würde die Stromerzeugung aus der Sonnenwärme effizienter machen, indem sie Keramik-Metallplatten für die Wärmeübertragung bei höheren Temperaturen und bei erhöhtem Druck verwendet.
Purdue University illustration/Raymond Hassan
Ein von der Purdue University geführtes Team entwickelte ein neues Material und Herstellungsverfahren, das eine Möglichkeit bietet, Sonnenenergie - als Wärmeenergie - effizienter bei der Stromerzeugung zu nutzen.
Die Innovation ist ein wichtiger Schritt, um die Solarwärme-Stromerzeugung in den direkten Kostenwettbewerb mit fossilen Brennstoffen zu stellen, die in den USA mehr als 60 Prozent des Stroms erzeugen.
"Die Speicherung von Sonnenenergie als Wärme kann bereits billiger sein als die Speicherung von Energie über Batterien, so dass der nächste Schritt darin besteht, die Kosten für die Stromerzeugung aus Sonnenwärme mit dem zusätzlichen Vorteil von Null Treibhausgasemissionen zu senken", sagte Kenneth Sandhage, Purdue-Professor für Werkstofftechnik bei Reilly.
Solarstrom erzeugt nicht nur Strom über Module in landwirtschaftlichen Betrieben oder auf Dächern. Eine weitere Möglichkeit sind konzentrierte Kraftwerke, die mit Wärmeenergie betrieben werden.
Konzentrierte Solarkraftwerke wandeln Sonnenenergie in Strom um, indem sie mit Spiegeln oder Linsen viel Licht auf eine kleine Fläche konzentrieren, die Wärme erzeugt, die auf eine Salzschmelze übertragen wird. Die Wärme aus der Salzschmelze wird dann auf ein "arbeitendes" Fluid, überkritisches Kohlendioxid, übertragen, das sich ausdehnt und eine Turbine zur Stromerzeugung dreht.
Um Solarstrom billiger zu machen, müsste der Turbinenmotor bei gleicher Wärmemenge noch mehr Strom erzeugen, was bedeutet, dass der Motor heißer laufen muss.
Das Problem ist, dass Wärmetauscher, die Wärme aus der heißen Salzschmelze in das Arbeitsmedium übertragen, derzeit aus Edelstahl oder Nickelbasislegierungen bestehen, die bei den gewünschten höheren Temperaturen und dem erhöhten Druck von überkritischem Kohlendioxid zu weich werden.
Inspiriert von den Materialien, die seine Gruppe zuvor zu "Verbundwerkstoffen" kombiniert hatte, die mit hoher Hitze und hohem Druck für Anwendungen wie Festbrennstoffraketendüsen umgehen können, arbeitete Sandhage mit Asegun Henry, jetzt am Massachusetts Institute of Technology, zusammen, um einen ähnlichen Verbundwerkstoff für robustere Wärmetauscher zu entwickeln.
Zwei Materialien zeigten zusammen als Verbund vielversprechend: Die Keramik Zirkoniumcarbid und das Metall Wolfram.
Purdue Forscher schufen Platten aus dem Keramik-Metall-Verbund. Die Platten beherbergen anpassbare Kanäle für den individuellen Wärmeaustausch, basierend auf Simulationen der Kanäle, die von Devesh Ranjans Team bei Georgia Tech durchgeführt wurden.
Mechanische Tests durch das Team von Edgar Lara-Curzio im Oak Ridge National Laboratory und Korrosionstests durch das Team von Mark Anderson in Wisconsin-Madison halfen zu zeigen, dass dieser neue Verbundwerkstoff so zugeschnitten werden konnte, dass er den höheren Temperaturen und dem überkritischen Kohlendioxid unter hohem Druck standhält, die zur Stromerzeugung benötigt werden, die effizienter sind als die heutigen Wärmetauscher.
Eine ökonomische Analyse durch Georgia Tech und Purdue Forscher zeigte auch, dass die vergrößerte Herstellung dieser Wärmetauscher zu vergleichbaren oder niedrigeren Kosten als bei Edelstahl oder Nickellegierungen durchgeführt werden könnte.
"Letztendlich würde diese Technologie bei fortgesetzter Entwicklung eine großflächige Einspeisung erneuerbarer Sonnenenergie in das Stromnetz ermöglichen", sagte Sandhage. "Das würde eine drastische Reduzierung der vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen bei der Stromerzeugung bedeuten."
Originalveröffentlichung
M. Caccia, M. Tabandeh-Khorshid, G. Itskos, A. R. Strayer, A. S. Caldwell, S. Pidaparti, S. Singnisai, A. D. Rohskopf, A. M. Schroeder, D. Jarrahbashi, T. Kang, S. Sahoo, N. R. Kadasala, A. Marquez-Rossy, M. H. Anderson, E. Lara-Curzio, D. Ranjan, A. Henry & K. H. Sandhage; "Ceramic–metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants"; Nature; 2018
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