Нов композит с гореща лава може да революционизира достъпността на слънчевата енергия

Екип, ръководен от университета Пърдю, представи нов слънчев състав, който може значително да подобри концентрираните слънчеви електроцентрали както по отношение на ефективността, така и на разходите, според ново проучване, публикувано в природа миналата седмица. Това сътрудничество между Технологичния институт на Джорджия, Университета на Уисконсин-Мадисън и Националната лаборатория Оук Ридж се надява да увеличи сегашното използване на слънчева енергия в САЩ, което остава на по-малко от 2% от нашето производство на електроенергия. Новият материал на екипа може да революционизира индустрията за концентрирана слънчева енергия.

"Мисля, че сме привързани към нея", казва професорът на Purdue Кенет Санджадж обратен.

Композитът, изработен от циркониев карбид и метан волфрам, попада в категория материали, наречени "металокерамики", известни със способността им да издържат на високи температури и налягане. Популяризирани след Втората световна война за използването им в реактивни двигатели, американските военновъздушни сили (онези, които са измислили термина) "металокерамики" са се превърнали в път за самолети и космически ракети. И хип замяна.

Екипът на Purdue отбеляза качествата на металокерамиката и намери нова среда с висока температура, която да изпита: концентрирани електроцентрали.

Срещу типична фотоволтаична слънчева ферма с неработещи панели, монтирани на ферми или покриви, концентрираните слънчеви електроцентрали са основно мащабна, добронамерена версия на горящи мравки под лупа. Тези растения използват огледала или лещи, за да концентрират енергията от слънцето. Вместо мъртви мравки, ние получаваме топлината, прехвърлена към разтопените соли. Плочи от неръждаема стомана или сплави на никелова основа се използват за прехвърляне на топлината от соли към течност, която се разширява, за да завърти турбина, която накрая ви дава електричество. Пърдю използва свръхкритичен СО2 като въпросната течност, наричан още CO2 при такива високи температури и налягания, че съществува някъде между течност или газ.

Тази техника за събиране на топлина от слънцето означава, че се получават концентрирани електроцентрали горещ, Материалът на плочите, използвани за пренасяне на топлина, е едно препятствие в системата - настоящите сплави от неръждаема стомана или никел достигат капацитет около 550 градуса по Целзий преди омекване, малко под 100 градуса по-горе от най-горещата планета в нашата слънчева система, Венера.

След механични тестове в Националната лаборатория Oak Ridge, екипът откри, че новият композит ни позволява да отидем още по-горещо, до около 750 градуса по Целзий, който е на хладната страна на лавата. Керметът на Purdue също е два до три пъти по-проводим от сегашния индустриален стандарт.

Освен постигането на горещи нива на топлина, тази температурна разлика позволява на централата да увеличи топлопреминаването до 20%. Мащабно, новооткритата ефективност от керамично-металния композит би била по-евтина от настоящите материали и би могла драстично да намали емисиите на въглероден диоксид.

Впечатляващ, тъй като керамичните метали може да са, екипът първо се сблъска с проблеми с корозията, тъй като свръхкритичният СО2 окислява плочите, намалявайки тяхната производителност. Но като се основава на фундаментални химически концепции, разбрахме, че добавянето на меден слой към повърхността на металокерамичните плочи и добавянето на 50 части на милион въглероден оксид към свръхкритичния CO2 намалява проблема. Екипът е представил патент за новия материал.

От 2018 г., концентрираните слънчеви електроцентрали произвеждат около 1400 MW енергия за САЩ годишно. Макар че в момента е по-евтино да се събира слънчевата светлина с помощта на традиционните фотоволтаици, батериите за съхранение са скъпи - всъщност е по-евтино да се съхранява топлината, както се прави чрез концентрирана слънчева енергия. С този нов композит разходите за събиране на топлина намаляват. В комбинация със способността да се преодолее разликата в енергията, представена от слънчевата енергия през нощта, това прави концентрираната слънчева енергия много по-конкурентоспособна.

„Мисля, че е вълнуващо време да се занимаваме с инженеринг на материали“, коментира Sandhage. „Има много сериозни проблеми, с които се сблъскваме, но въпросът е да се направи упорита инженерна работа, за да се въведат правилните материали, да се придобие правилен дизайн и да се сринат проблемите. Ние сме развълнувани за ролята, която можем да играем."