En Hot-as-Lava New Composite kan revolutionera solenergi överkomliga priser

Ett team som leds av Purdue University avslöjade en ny solkomposit som skulle kunna förbättra koncentrerad solkraftverk avsevärt både i effektivitet och kostnad, enligt en ny studie som publicerades i Natur förra veckan. Samarbetet mellan Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison och Oak Ridge National Laboratory hoppas öka den nuvarande användningen av solenergi i USA, som ligger kvar på mindre än 2 procent av vår elproduktion. Men lagets nya material kan revolutionera den koncentrerade solkraftindustrin.

"Jag tror att vi är tantalizingly nära", säger Purdue professor Kenneth Sandhage Omvänd.

Kompositmaterialet, tillverkat av cer aminszirkoniumkarbid och met al-tungsten, faller under en kategori av material som kallas "cermets", kända för sin förmåga att motstå höga temperaturer och tryck. Populäriserad efter andra världskriget för deras användning i jetmotorer, har amerikanska flygvapnet (de som myntade termen) "cermets" blivit en go-to för flygplan och rymdrocketer. Och höftbyte.

Purdue-teamet noterade cermets egenskaper och hittade en ny hög temperatur miljö för att testa det: koncentrerade kraftverk.

I motsats till en typisk fotovoltaisk solpark med tomgångsplattor installerade på gårdar eller hustak är koncentrerade solkraftverk i grunden den storskaliga, avsiktliga versionen av brinnande myror under ett förstoringsglas. Dessa växter använder speglar eller linser för att koncentrera energi från solen. Istället för döda myror får vi värme överförd till smälta salter. Plattor av rostfritt stål eller nickelbaserade legeringar används för att överföra värmen från salter till en vätska som expanderar för att rotera en turbin, vilket äntligen ger dig el. Purdue använde superkritisk CO2 som den aktuella vätskan, aka CO2 vid sådana höga temperaturer och tryck att det existerar någonstans mellan en vätska eller gas.

Denna teknik för att samla upp värme från solen innebär att koncentrerade kraftverk får varm. Materialet på plattorna som används för att överföra värme är en flaskhals i systemet - nuvarande rostfria eller nickelbaserade legeringar slår kapaciteten runt 550 grader Celsius före mjukning, precis under 100 grader varmare än den hetaste planet i vårt solsystem, Venus.

Efter mekaniska prov på Oak Ridge National Laboratory upptäckte laget att den nya kompositen låter oss gå ännu varmare, till ca 750 grader Celsius, som ligger på den kalla sidan av lavan. Purdues cermet är också två till tre gånger så ledande som den nuvarande industristandarden.

Förutom att uppnå brännande värmehalter, tillåter denna temperaturskillnad en anläggning att öka sin värme till elomvandling mer än 20 procent. Uppskalad, den nyfunna effektiviteten från keramikmetallkompositen skulle vara billigare än dagens material och skulle kunna bidra till att drastiskt minska koldioxidutsläppen.

Imponerande som keramiska metaller kan vara, teamet stod först inför problem med korrosion, eftersom superkritisk CO2 skulle oxidera plattorna och minska deras produktivitet. Men på grundval av grundläggande kemi koncept utspelade sig att lägga ett kopparskikt på ytan av cermet plattorna och lägga 50 delar per miljon kolmonoxid till superkritisk CO2 mildrar problemet. Teamet har lämnat in ett patent för det nya materialet.

Från och med 2018 producerar koncentrerade solkraftverk cirka 1.400 MW energi för USA per år. Medan det för närvarande är billigare att skörda solljus med traditionell solceller, är batterierna dyra - det är faktiskt billigare att lagra värme, som gjort via koncentrerad sol. Med denna nya komposit, faller kostnaden för att samla värme. Kombinerat med förmågan att hjälpa till att överbrygga klyftan av energi som presenteras av solen under natten, gör detta koncentrerat sol mycket mer konkurrenskraftigt.

"Jag tycker att det är en spännande tid att vara i materialteknik," Sandhage kommentarer. "Det finns mycket allvarliga problem som vi möter, men det handlar om att göra det förtjockade hårda arbetet för att ta fram rätt material, ta fram rätt design och fortsätta slå ner problem. Vi är glada över den roll vi kan spela."