Een hot-as-lava nieuwe composiet kan de betaalbaarheid van zonne-energie revolutie in

Een team onder leiding van Purdue University onthulde een nieuw composietmateriaal voor zonne-energie dat geconcentreerde zonne-energiecentrales zowel in efficiëntie als in kosten aanzienlijk zou kunnen verbeteren, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur vorige week. Deze samenwerking tussen Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison en Oak Ridge National Laboratory hoopt het huidige gebruik van zonne-energie in de VS te vergroten, dat nog steeds minder dan 2 procent van onze elektriciteitsproductie is. Maar het nieuwe materiaal van het team kan een revolutie teweegbrengen in de geconcentreerde zonne-energie-industrie.

"Ik denk dat we verleidelijk dichtbij zijn," vertelt Purdue professor Kenneth Sandhage omgekeerde.

Het composiet, gemaakt van cer amic zirconium carbide en met al wolfraam, valt onder een categorie materialen genaamd "cermets", bekend om hun vermogen om hoge temperaturen en druk te weerstaan. Gepopulariseerd na de Tweede Wereldoorlog voor hun gebruik in straalmotoren, de US Air Force (degenen die de term hebben bedacht) "cermets" zijn uitgegroeid tot een draaischijf voor vliegtuigen en ruimteraketten. En heupprothesen.

Het Purdue-team heeft kennis genomen van de kwaliteiten van cermet en een nieuwe omgeving met hoge temperaturen gevonden om het te testen: geconcentreerde energiecentrales.

In tegenstelling tot een typische fotovoltaïsche zonne-boerderij met inactieve panelen geïnstalleerd op boerderijen of daken, zijn geconcentreerde zonne-energiecentrales in feite de grootschalige, goedbedoelde versie van brandende mieren onder een vergrootglas. Deze planten gebruiken spiegels of lenzen om energie uit de zon te concentreren. In plaats van dode mieren krijgen we warmte overgedragen op gesmolten zouten. Platen gemaakt van roestvrij staal of legeringen op nikkelbasis worden gebruikt om de warmte van zouten over te brengen naar een vloeistof die uitzet om een ​​turbine te laten draaien, waardoor u uiteindelijk elektriciteit krijgt. Purdue gebruikte superkritisch CO2 als de vloeistof in kwestie, oftewel CO2 bij zulke hoge temperaturen en drukken dat het ergens tussen een vloeistof of gas bestaat.

Deze techniek van het verzamelen van warmte van de zon betekent dat geconcentreerde energiecentrales krijgen heet. Het materiaal van de platen die worden gebruikt voor de overdracht van warmte is één knelpunt in het systeem - de huidige legeringen op basis van roestvrij staal of nikkel hebben een capaciteit van ongeveer 550 graden Celsius voordat ze zacht worden, net onder de 100 graden warmer dan de heetste planeet in ons zonnestelsel, Venus.

Na mechanische tests bij het Oak Ridge National Laboratory ontdekte het team dat het nieuwe composiet ons nog heter laat gaan, tot ongeveer 750 graden Celsius, wat aan de koele kant van lava is. Het cermet van Purdue is ook twee- tot driemaal zo geleidend als de huidige industriestandaard.

Afgezien van het bereiken van verzengende warmteniveaus, maakt dit temperatuurverschil het mogelijk dat een plant zijn warmte-tot-elektriciteitsconversie met meer dan 20 procent verhoogt. Opgeschaald zou de hernieuwde efficiëntie van de composiet van keramiek en metaal goedkoper zijn dan de huidige materialen en zou het de CO2-uitstoot drastisch kunnen verminderen.

Indrukwekkend als keramische metalen kunnen zijn, het team voor het eerst geconfronteerd problemen met corrosie, zoals de superkritische CO2 de platen zou oxideren, waardoor hun productiviteit. Maar uitgaande van fundamentele chemieconcepten, kwam het erachter dat het toevoegen van een koperlaag aan het oppervlak van de cermetplaten en het toevoegen van 50 ppm koolmonoxide aan de superkritische CO2 het probleem verlicht. Het team heeft een patent ingediend voor het nieuwe materiaal.

Vanaf 2018 produceren geconcentreerde zonne-energiecentrales ongeveer 1.400 MW energie voor de VS per jaar. Hoewel het op dit moment goedkoper is zonlicht te oogsten met traditionele fotovoltaïsche energie, zijn batterijen om het op te slaan duur - het is eigenlijk goedkoper om warmte op te slaan, zoals via geconcentreerde zonne-energie. Met deze nieuwe composiet vallen de kosten voor het opvangen van warmte. Gecombineerd met het vermogen om de energiekloof te helpen overbruggen die 's nachts door zonne-energie wordt gepresenteerd, is geconcentreerde zonne-energie veel competitiever.

"Ik vind het een opwindende tijd om in de materiaaltechniek te zijn," merkt Sandhage op. "Er zijn zeer serieuze problemen waar we mee te maken hebben, maar het is een kwestie van hardnekkig ingenieurswerk doen om de juiste materialen in te brengen, het juiste ontwerp aan te brengen en problemen te voorkomen. We zijn enthousiast over de rol die we kunnen spelen."