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Sep 07, 2023

Gen3 CSP でのフラクタル腐食の修正 (Ranga Pitchmani による)

Pubblicato: 9 giugno 2023 9 giugno 2023 Autore Susan Kramer Come realizzare un nuovo acciaio frattale

投稿日2023年6月9日2023年6月9日著者スーザン・クレーマー

新しいフラクタル スチール コーティングが Gen3 CSP の腐食をどのように防ぐかについては、Elsevier: Solar Energy Materials and Solar Cells で公開された、集中太陽光発電用の新しいフラクタル テクスチャ太陽光吸収体表面で説明されています。

私たちは最近、SunShot イニシアティブの主任研究者であり、集光型太陽光発電 (CSP) プログラムの創設ディレクターであり、米国エネルギー省で同イニシアチブのシステム (グリッド) 統合プログラムのディレクターを務めたランガ ピッチマニ博士に話を聞きました ( DOE）。 彼は現在、バージニア工科大学の学術拠点に戻り、機械工学のジョージ R. グッドソン寄附教授を務めています。 彼は、エネルギーと材料の結びつきにおける幅広いプロジェクトで先端材料および技術研究所を指揮し、新世代の学生に持続可能なエネルギー ソリューションを教えています。

SK:貴重なお時間を割いてお話しいただき、ありがとうございました。

RP:何年も経って、スーザン、あなたとつながることができて光栄です。

SK:腐食を軽減するためにフラクタル サーフェスを使用することに関する新しい論文について知りたいです。 しかし、まずはその理由を理解する必要があります。 あなたが最近共著したこの別の論文では、CSP の腐食を解決するための他の多くの試みについて取り上げています。 これまでで最も包括的な研究となるに違いありません。 (次世代集光型太陽光発電向け熱媒流体の腐食緩和の進歩と機会2023)

RP:はい。 これは、溶融塩、液体金属、超臨界 CO2 中での合金の腐食に関するこれまでの研究を非常に詳細にレビューしたものです。 これは、腐食のメカニズムとそれを軽減するためのさまざまなアプローチについての洞察をまとめた優れた書籍です。 腐食を抑制することについては世界中で多くの研究が行われていますが、この論文では、将来の取り組みを第 3 世代 CSP のニーズに焦点を当てることを目的として、共通のプラットフォームにまとめられています。

SK:あなたが材料科学のさまざまな側面について出版していることは知っています。 なぜ今、腐食が CSP にとって重要なのでしょうか?

RP: CSP の優れた点の 1 つは、熱エネルギーを蓄えることができることです。 これは素晴らしい利点ですが、CSP を次のレベルに引き上げるという点では課題でもあり、CSP の平準化コストを下げる必要があります。 CSP の費用対効果を高める方法の 1 つは、プラントの動作温度を上げて、発電のために電力変換システムに送られる超臨界 CO2 または作動流体をより高温にすることです。 DOE は、Gen3 CSP が 650 °C を超え、最大 750 °C 以上になることを目標としています。 より高い動作温度を目標とする場合、太陽放射から集中した熱が熱伝達流体として溶融塩または液体金属に捕捉される、第 3 世代 CSP の液体経路における腐食が最大の懸念事項となります。

SK:現在、6 または 7 GW の CSP が存在していますが、腐食の危険はありますか?

RP:なんてこった。 太陽塩による腐食は一般によく理解されており、現在の (Gen2) CSP プラントでは十分に抑制されています。 塩化物、炭酸塩などの実行可能な熱伝達流体が格納合金に対して非常に腐食性である高温に CSP を使用すると、未解決の腐食の問題が発生します。 次世代 CSP が実現するには、高温レシーバー、熱伝達流体による腐食を軽減するソリューション、高効率の超臨界 CO2 パワー ブロックなど、すべてのパズルのピースがうまくかみ合う必要があります。

SK: つまり、これらの論文はすべて、次世代 CSP と産業用熱、および高温の原子炉における太陽熱化学に関するものだけですか?

RP:問題はそこにあり、温度が高くなるほど深刻になるからです。 アレニウスの法則の口語的な表現は、温度が上昇すると、すべての地獄が解き放たれ、腐食速度が劇的に増加することを意味します。 したがって、既存のプラントが稼働している 565 °C から 650 °C への変化は小さな変化のように見えるかもしれません。 それはたったの 85 度高いだけです。 しかし、腐食速度は温度に依存する指数関数的な性質があるため、その温度差でさえ腐食に大きな影響を与えます。

基本的に、高温材料の問題はさまざまな用途で長い間存在しています。 たとえばガスタービンは、1000℃を超えるような高温にさらされるため、多くの高温コーティングや多くの材料革新が生まれました。 CSP の場合、商用化に向けて低コストの要件が追加されるため、パフォーマンスとコストの目標を同時に達成することが課題となります。 したがって、材料科学者、物理学者、化学者、エンジニアが創造的なアイデアを探求し、ソリューションを開発できる肥沃な土壌です。

金属のフラクタル テクスチャリングが Gen3 CSP の腐食を防止 – 論文より 集中太陽光発電用の新しいフラクタル テクスチャリングの太陽光吸収体表面

SK:そしてあなたはこの論文の中で、コンテナの表面を再研磨することで、腐食に対するまったく異なるアプローチを開発したと述べています: 集中太陽光発電用の新しいフラクタルテクスチャーの太陽光吸収体表面

RP:はい、数年前、当社は 100 °C 未満の低温での腐食軽減に非常に優れた、高度にテクスチャーのあるマルチスケール表面を開発しました。 当社は、コーティングを作成し、これらのテクスチャを生成する動作条件に関する特許出願を行っています。

そこで考えたのは、高温腐食に対処するためにこれを飛躍的に実行できないかということでした。 そして、そこから溶融塩腐食の軽減に関する当社の取り組みが始まりました。

最近の DOE の資金提供プログラムでは、雪の結晶のような、高度にテクスチャーされたマルチスケール フラクタルであるコーティングを開発しました。ズームインし続けると、いわゆる自己相似構造が得られます。これは、溶融炭酸塩や塩化物による腐食を軽減するのに非常に効果的です。 750℃。

利点は、テクスチャー コーティングが、電着や化学エッチングなどの工業的に拡張可能なプロセスによって、あらゆるベース合金材料に作成されることです。 本当に実用的な産業ソリューション。

そこで、私たちが証明できたのは、これらのコーティングを使用すると、コーティングされていない基材と比較して、低コストの鉄合金の腐食を劇的に減らすことができ、それだけでなく、腐食速度を他の基材の腐食速度よりも低くすることができるということです。 Haynes 230 のような高価な高ニッケル含有合金は、高温 CSP 用途によく考慮されます。 コーティングは長期間安定しており、金属のテクスチャリングによって環境や個人の安全上の問題が生じることはありません。

高温集光型太陽熱用途において、伝熱流体や貯蔵媒体に対して耐食性を持たせるための低コストの構造用合金の実現可能なアプローチが存在するのは素晴らしいことです。 Renewable and Sustainable Energy Reviews に掲載された当社の最近の論文では、イノベーションとその結果について詳しく説明しています。

SK:でも、そのほうが安いのでしょうか？

RP:うん。 私たちは非常に詳細なコスト分析を行って、腐食速度が低いだけでなく、より安価であることを示しました。 当社は基本的に、コスト効率と拡張性が高く、業界で広く使用されているプロセスを使用しています。 また、コーティングは低コスト合金の腐食を軽減します。 そのため、溶融塩熱交換器では、ステンレス鋼などのコーティングされた低コストの鉄ベースの合金や、ニッケル含有量の低い合金を使用できます。 たとえば、コーティングされたステンレス鋼合金を使用すると、熱交換器の平準化コストは Haynes 230 と比較して少なくとも 30 ～ 40% 安くなります。

SK:フラクタル コーティングには関連する CSP アプリケーションがありますか?

RP:また、太陽光がタワーに集中する高温受信機用の太陽光吸収コーティングにも取り組んでいます。 これもDOEが資金提供した取り組みであり、私が誇りに思っています。 当社のコーティングは 95% などの非常に高い効率を達成しており、等温および周期的な高温に長時間さらされても劣化がほとんどありません。 印象的なのは、吸収率が高い一方で、吸収体コーティングの放射率はわずか約 0.45 程度であり、これが高い全体効率につながっていることです。 このコーティングは機械的摩耗、熱衝撃、砂の衝撃に対して非常に耐久性があり、Gen3 CSP に非常に適しています。

SK:エミッタンス…？

RP:太陽光をよく吸収するコーティングを施している場合は、よく放射して外へ戻す傾向もあります。 大量の熱を放出するため、全体的な捕捉効率が低下します。

吸収体表面のフラクタル テクスチャには、光を閉じ込める小さな洞窟、つまり光が前後に反射する小さな空洞があります。 テクスチャの特徴とその構成をミクロンからナノメートルの範囲に合わせて調整できます。 このようにして、光スペクトルのさまざまな波長の吸収を調整できます。つまり、望ましい低波長である可視領域の吸収を多くし、長波長領域である赤外領域の吸収を少なくすることができます。

私たちはコーティングを高温で広範囲にテストしました。 コーティングは非常に安定しています。 私たちはそれに砂を衝突させたり、水に浸したりしました。 安定しています。 750 °C の炉から取り出し、すぐに氷冷バスで急冷しました。 光学特性は安定したままです。 これは、高温 CSP にとって非常に強力なソリューションです。

SK:では、これら 2 つの表面技術の革新は高温での使用に適しているのでしょうか?

RP:はい、次世代 CSP の 650+ °C に非常に適しています。 CSP 以外にも、産業用熱などの高温での太陽熱プロセスは、これらのイノベーションの恩恵を受ける可能性があります。 750 °C でのコーティングの性能の安定性を示しました。 したがって、中温から低温の用途でもすぐにメリットが得られます。 これらは非常にエキサイティングなイノベーションであり、私は私たちのグループの取り組みを本当に誇りに思っています。

SK:大学の研究室でまったく新しく改良されたものを発明した場合、そのようなものはどうなるでしょうか? 誰かがライセンスを取得していますか？

RP:はい、それが目標です。 私たちは特許を申請しました。 そして、私たちは研究所での耐久テストとサンディアでのいくつかのテストに関して、多くの努力を払ってきました。 コーティングはよく持ちこたえました。 また、サードパーティによるコーティング性能の追加検証のために、NREL で業界標準のテストを実施する予定です。 それが私たちの市場への道です。 これらのイノベーションについて興味のある方との議論を歓迎します。

SK:CSP が太陽熱化学のようなさらに高温のアプリケーションに進化するにつれて、新しい STEM 人材が問題を解決するための刺激的な新しい機会に気づいているのを見かけますか?

RP:彼らは確かに数年前よりもずっと知識が豊富になり、サステナビリティ全般に対する意識が高まっています。 彼らはテスラを見たり乗ったり、屋根や近所にソーラーパネルがあるのを見ながら育ってきました。 メディアでは気候変動と再生可能エネルギーについての意識が高まり、議論が行われています。 したがって、彼らがこれらの問題を認識し、関心を持っていることは驚くべきことではありません。 それは彼らの周りにあります。

しかし、CSP だけ、PV だけ、またはバッテリーだけを訓練する必要はありません。 私が見たいのは、健全な科学と工学を通じて社会問題を解決することへの一般的な関心です。

したがって、CSP の問題を解決するために協力してくれる素晴らしいエンジニア、素晴らしい材料科学者、素晴らしい物理学者、化学者が必要です。 持続可能なエネルギー ソリューションに関する私のコースは、1 つの分野だけで受講されるわけではありません。 工学、ビジネス、物理科学、建築などの学生がいます。 私の役割は、テクノロジー/経済/政策の観点からエネルギー/持続可能性をめぐる問題を彼らに紹介し、彼らの情熱を刺激することです。 私たちが直面しているこの問題の解決策の立案者となるという自信と目的を持って彼らを卒業させることです。

さらに読む:太陽光発電を集光するための溶融炭酸塩における優れた腐食軽減のための新しいテクスチャー表面 Kondaiah, P.、および Pitchmani, R. (2022)。 太陽光発電を集光するための溶融炭酸塩における優れた腐食軽減のための新しいテクスチャー表面。 再生可能および持続可能なエネルギーのレビュー、170、112961。 https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112961

次世代集光型太陽光発電用の伝熱流体における腐食緩和の進歩と機会 Kondaiah, P.、Pitchmani, R. (2023)。 次世代集光型太陽光発電の熱伝達流体における腐食緩和の進歩と機会。 再生可能エネルギー、205、956-991。 https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.01.044

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