En ny-kompositt som ny-lav kan revolusjonere prisverdien for solenergi

Et team ledet av Purdue University avduket en ny solkompositt som kunne forbedre konsentrert solkraftverk betydelig, både etter effektivitet og kostnad, ifølge en ny studie publisert i Natur forrige uke. Dette samarbeidet mellom Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison og Oak Ridge National Laboratory håper å øke dagens bruk av solenergi i USA, som forblir på mindre enn 2 prosent av vår elektrisitetsproduksjon. Men lagets nye materiale kan revolusjonere den konsentrerte solenergiindustrien.

"Jeg tror vi er teltende nært," forteller Purdue professor Kenneth Sandhage Omvendt.

Kompositten, laget av cer amic zirconiumkarbid og met al wolfram, faller under en kategori av materialer kalt "cermets", kjent for deres evne til å motstå høye temperaturer og trykk. Populært etter andre verdenskrig for bruk i jetmotorer, har amerikanske luftvåpen (de som utpekte begrepet) "cermets" blitt en go-to for fly og romraketter. Og hofteutskiftninger.

Purdue-teamet tok merke til cermets egenskaper og fant et nytt høytemperaturmiljø for å teste det ut: konsentrert kraftverk.

I motsetning til en typisk fotovoltaisk solgård med tomgangspaneler installert på gårder eller hustak, er konsentrert solkraftverk i utgangspunktet den store, velmenende versjonen av brennende maur under et forstørrelsesglass. Disse plantene bruker speil eller linser for å konsentrere energi fra solen. I stedet for døde myrer får vi varme overført til smeltede salter. Plater laget av rustfritt stål eller nikkelbaserte legeringer brukes til å overføre varmen fra salter til en væske som utvides for å spinne en turbin, som til slutt gir deg elektrisitet. Purdue brukte superkritisk CO2 som det aktuelle fluidet, aka CO2 ved så høye temperaturer og trykk at det eksisterer et sted mellom en væske eller gass.

Denne teknikken for å samle varme fra solen betyr at konsentrert kraftverk får varmt. Materialet til platene som brukes til å overføre varme, er en flaskehals i systemet - nåværende rustfritt stål eller nikkelbaserte legeringer slår kapasitet på rundt 550 grader Celsius før mykning, like under 100 grader varmere enn den heteste planet i vårt solsystem, Venus.

Etter mekaniske tester ved Oak Ridge National Laboratory, oppdaget laget at den nye kompositten lar oss gå enda varmere, til rundt 750 grader Celsius, som ligger på den kule siden av lava. Purdues cermet er også to til tre ganger så ledende som dagens industristandard.

Bortsett fra å oppnå brennende varmetall, gjør denne temperaturforskjellen et anlegg for å øke varmen til strømkonvertering over 20 prosent. Oppskalert, ville nyfinansieringen fra det keramiske metallkomposittet være billigere enn dagens materialer, og kunne bidra til drastisk redusert utslipp av karbondioksid.

Imponerende som keramiske metaller kan være, laget møtte først problemer med korrosjon, da superkritisk CO2 ville oksidere platene og redusere produktiviteten. Men på grunnlag av grunnleggende kjemi konsepter, fant ut at tilsetning av et kobberlag til overflaten av cermetplatene og tilsetning av 50 deler per million karbonmonoksid til superkritisk CO2 reduserer problemet. Teamet har sendt inn et patent for det nye materialet.

Fra 2018 produserer konsentrert solkraftverk om lag 1.400 MW energi for USA per år. Mens det for tiden er billigere å høste sollys ved hjelp av tradisjonelle solceller, er batterier å lagre det dyrt - det er faktisk billigere å lagre varme, som gjort via konsentrert sol. Med dette nye komposittet faller kostnaden for å samle varme. Kombinert med evnen til å bidra til å bygge bro over energiforbruket som presenteres av solenergi om natten, gjør dette konsentrert sol mye mer konkurransedyktig.

"Jeg synes det er en spennende tid å være i materialteknikk," Sandhage kommentarer. "Det er svært alvorlige problemer som vi står overfor, men det handler om å gjøre det vanskelige arbeidet med å bringe inn de riktige materialene, bringe inn riktig design og fortsette å slå ned problemer. Vi er glade for hvilken rolle vi kan spille."