Ein so heißer Lava-Verbundstoff könnte die Erschwinglichkeit von Solarenergie revolutionieren

Ein von der Purdue University geleitetes Team stellte ein neues Solarkomposit vor, das konzentrierte Solarkraftwerke sowohl in Bezug auf Effizienz als auch auf Kosten erheblich verbessern kann, so eine neue Studie, die in veröffentlicht wurde Natur letzte Woche. Diese Zusammenarbeit zwischen dem Georgia Institute of Technology, der University of Wisconsin-Madison und dem Oak Ridge National Laboratory hofft, die derzeitige Nutzung von Solar in den USA zu erhöhen, was immer noch bei weniger als 2 Prozent unserer Stromerzeugung liegt. Das neue Material des Teams könnte jedoch die konzentrierte Solarindustrie revolutionieren.

"Ich denke, wir sind aufregend nah dran", sagt Purdue-Professor Kenneth Sandhage Inverse.

Der Verbundstoff aus Zirkoniumcarbid und Wolfram gehört zu einer Kategorie von Materialien, die als "Cermets" bezeichnet wird und für ihre hohen Temperaturen und Druck bekannt ist. Die US-Luftwaffe (die den Begriff prägten) "Cermets", die nach dem Zweiten Weltkrieg für den Einsatz in Düsentriebwerken bekannt wurde, ist zu einer Anlaufstelle für Flugzeuge und Weltraumraketen geworden. Und Hüftersatz.

Das Purdue-Team nahm die Qualitäten von Cermet zur Kenntnis und fand eine neue Hochtemperaturumgebung zum Testen: konzentrierte Kraftwerke.

Im Gegensatz zu einem typischen Photovoltaik-Solarpark mit auf Feldern oder Dächern installierten Leerlaufplatten sind konzentrierte Solarkraftwerke im Grunde die großräumige, wohlmeinende Version brennender Ameisen unter einer Lupe. Diese Pflanzen verwenden Spiegel oder Linsen, um die Sonnenenergie zu konzentrieren. Anstelle von toten Ameisen wird die Wärme auf die Salzschmelze übertragen. Platten aus Edelstahl oder Legierungen auf Nickelbasis werden verwendet, um die Wärme von Salzen auf eine Flüssigkeit zu übertragen, die sich ausdehnt, um eine Turbine zu drehen, wodurch Sie schließlich Strom erhalten. Purdue verwendete überkritisches CO2 als die fragliche Flüssigkeit, das sogenannte CO2, bei so hohen Temperaturen und Drücken, dass es irgendwo zwischen einer Flüssigkeit oder einem Gas liegt.

Diese Technik des Sammelns von Sonnenwärme bedeutet, dass konzentrierte Kraftwerke kommen heiß. Das Material der Platten, die zur Wärmeübertragung verwendet werden, ist ein Engpass im System. Die derzeit verwendeten Legierungen aus Edelstahl oder Nickelbasis erreichen vor der Erweichung eine Temperatur von etwa 550 Grad Celsius, knapp 100 Grad heißer als der heißeste Planet unseres Sonnensystems, die Venus.

Nach mechanischen Tests im Oak Ridge National Laboratory entdeckte das Team, dass der neue Verbundwerkstoff noch heißer werden kann, auf etwa 750 Grad Celsius, was auf der kühlen Seite der Lava liegt. Purdues Cermet ist zwei- bis dreimal so leitfähig wie der aktuelle Industriestandard.

Diese Temperaturdifferenz ermöglicht nicht nur siedende Wärmemengen, sondern auch die Umwandlung von Wärme in Strom um mehr als 20 Prozent. Die neu gewonnene Effizienz des Keramik-Metall-Verbundwerkstoffs wäre kostengünstiger als die derzeitigen Materialien und könnte dazu beitragen, die Kohlendioxidemissionen drastisch zu reduzieren.

So beeindruckend keramische Metalle auch sein mögen, das Team hatte zunächst Probleme mit der Korrosion, da das überkritische CO2 die Platten oxidieren und ihre Produktivität verringern würde. Ausgehend von grundlegenden chemischen Konzepten stellte sich jedoch heraus, dass das Hinzufügen einer Kupferschicht auf die Oberfläche der Cermet-Platten und das Hinzufügen von 50 ppm Kohlenmonoxid zu überkritischem CO2 das Problem mildern. Das Team hat ein Patent für das neue Material eingereicht.

Ab 2018 erzeugen konzentrierte Solarkraftwerke pro Jahr rund 1.400 MW Energie für die USA. Zwar ist es derzeit billiger, Sonnenlicht mit herkömmlicher Photovoltaik zu ernten, aber Batterien sind teuer - es ist tatsächlich billiger, Wärme zu speichern, als dies durch konzentriertes Solarenergie geschieht. Mit diesem neuen Verbundstoff sinken die Kosten für die Wärmesammlung. Kombiniert mit der Fähigkeit, zur Überbrückung der Energielücke beizutragen, die das Sonnenlicht während der Nacht bereitstellt, wird konzentriertes Sonnenlicht viel wettbewerbsfähiger.

„Ich denke, es ist eine aufregende Zeit, um in der Werkstofftechnik zu sein“, kommentiert Sandhage. „Es gibt sehr ernste Probleme, mit denen wir konfrontiert sind, aber es ist eine Frage der hartnäckigen Ingenieursarbeit, die richtigen Materialien einzubringen, das richtige Design einzubringen und Probleme ständig zu beseitigen. Wir sind gespannt auf die Rolle, die wir spielen können."