Correction de la corrosion fractale dans Gen3 CSP par Ranga Pitchumani

Publié le9 juin 20239 juin 2023AuteurSusan Kraemer

Comment un nouveau revêtement en acier fractal empêche la corrosion dans Gen3 CSP, décrit dans Novel fractal-textured solar absorber surfaces for concentré solar power publié chez Elsevier : Solar Energy Materials and Solar Cells

Nous avons récemment rencontré le Dr Ranga Pitchumani, qui était le scientifique en chef de l'initiative SunShot, le directeur fondateur de son programme d'énergie solaire à concentration (CSP) et le directeur du programme d'intégration des systèmes (réseaux) de l'initiative au département américain de l'énergie ( BICHE). Il est maintenant de retour dans sa maison universitaire à Virginia Tech où il est professeur titulaire de la chaire de génie mécanique George R. Goodson. Il dirige le Laboratoire des matériaux et technologies avancées sur un large éventail de projets au lien énergie-matériaux et enseigne à une nouvelle génération d'étudiants Solutions énergétiques durables.

Sask. :Merci d'avoir pris le temps de parler avec moi.

PR :C'est un plaisir d'être en contact avec vous, Susan, après toutes ces années.

Sask. : Je veux en savoir plus sur votre nouvel article sur l'utilisation du surfaçage fractal pour réduire la corrosion. Mais d'abord, pour comprendre pourquoi; cet autre article que vous avez co-écrit récemment couvre tant d'autres tentatives pour résoudre la corrosion dans CSP. Ce doit être l'étude la plus complète jamais réalisée. (Progrès et opportunités dans l'atténuation de la corrosion dans les fluides caloporteurs pour l'énergie solaire à concentration de nouvelle génération 2023)

PR : Oui. C'est un examen très détaillé des travaux à ce jour sur la corrosion des alliages dans les sels fondus, les métaux liquides et le CO2 supercritique. C'est un bon recueil d'informations sur les mécanismes de corrosion et les différentes approches pour l'atténuer. Bien qu'il existe de nombreuses études dans le monde entier sur la maîtrise de la corrosion, le document les rassemble sur une plate-forme commune en vue de concentrer les efforts futurs sur les besoins du CSP Gen3.

Sask. : Je sais que vous avez publié sur de nombreux aspects de la science des matériaux. Pourquoi la corrosion est-elle importante pour CSP maintenant ?

PR : L'un des avantages du CSP est qu'il peut stocker de l'énergie thermique. C'est un avantage appréciable, mais aussi un défi pour faire passer le CSP au niveau supérieur, où le coût actualisé du CSP doit être inférieur. L'un des moyens de rendre le CSP rentable est d'augmenter la température de fonctionnement de l'usine afin d'avoir un CO2 supercritique à température plus élevée ou le fluide de travail qui va au système de conversion d'énergie pour produire de l'électricité. Le DOE cible Gen3 CSP pour être au-dessus de 650 ° C et jusqu'à 750 ° C ou plus. Avec les températures de fonctionnement plus élevées ciblées, la corrosion est une préoccupation primordiale dans la voie liquide pour Gen3 CSP où la chaleur concentrée du rayonnement solaire est capturée dans des sels fondus ou des métaux liquides en tant que fluides caloporteurs.

Sask. :Les 6 ou 7 GW de CSP qui existent actuellement – ​​sont-ils à risque de corrosion ?

PR : Oh non. La corrosion saline solaire est généralement bien comprise et bien contenue dans les centrales CSP actuelles (Gen2). Le défi non résolu de la corrosion se pose lorsque vous portez le CSP à des températures plus élevées où les fluides de transfert de chaleur viables tels que les chlorures, les carbonates, etc., sont extrêmement corrosifs pour les alliages de confinement. Pour que la prochaine génération de CSP se concrétise, toutes les pièces du puzzle doivent bien s'emboîter, comme les récepteurs haute température, les solutions d'atténuation de la corrosion due aux fluides caloporteurs, le bloc d'alimentation CO2 supercritique à haut rendement, etc.

SK : Donc, tous ces papiers ne concernent que la prochaine génération de CSP et la chaleur pour l'industrie et la thermochimie solaire dans des réacteurs à des températures plus élevées ?

PR : Parce que c'est là que se situe le problème et qu'il devient plus grave à mesure que vous montez à des températures plus élevées. Une déclaration familière de la loi d'Arrhenius est que lorsque la température augmente, tout l'enfer se déchaîne, ce qui signifie que le taux de corrosion augmente considérablement. Cela peut donc sembler être un petit changement de 565 °C, là où les centrales existantes fonctionnent, à 650 °C. C'est seulement 85 degrés de plus. Mais même cette différence de température a un impact considérable sur la corrosion en raison de la nature exponentielle de la façon dont le taux de corrosion dépend de la température.

Fondamentalement, les problèmes de matériaux à haute température existent depuis longtemps dans différentes applications. Les turbines à gaz, par exemple, sont à l'origine de la plupart des revêtements à haute température, de nombreuses innovations en matière de matériaux, car elles rencontrent des températures énormes, comme plus de 1 000 °C. Pour CSP, avec l'exigence supplémentaire de faible coût pour la commercialisation, les défis sont ceux d'atteindre simultanément les objectifs de performance et de coût. C'est donc un terrain fertile où les spécialistes des matériaux, les physiciens, les chimistes et les ingénieurs peuvent explorer leurs idées créatives et développer des solutions.

La texturation fractale du métal empêche la corrosion dans Gen3 CSP - à partir du papier Nouvelles surfaces d'absorbeur solaire à texture fractale pour l'énergie solaire concentrée

Sask. :Et vous décrivez dans cet article que vous avez développé une approche complètement différente de la corrosion, en resurfaçant le conteneur : De nouvelles surfaces d'absorbeur solaire à texture fractale pour l'énergie solaire concentrée

PR : Oui, il y a quelques années, nous avions développé des surfaces multi-échelles hautement texturées qui étaient très efficaces pour atténuer la corrosion à des températures inférieures à 100 °C. Nous avons une demande de brevet sur les conditions opératoires dans lesquelles nous réalisons les revêtements et générons ces textures.

Ensuite, l'idée était de savoir si nous pouvions sauter le pas pour lutter contre la corrosion à haute température ? Et c'est là que notre travail sur l'atténuation de la corrosion par les sels fondus a commencé.

Dans un récent programme financé par le DOE, nous avons développé des revêtements qui sont des fractales multi-échelles hautement texturées, comme un flocon de neige où si vous continuez à zoomer, vous obtenez ce qu'on appelle des structures auto-similaires, qui sont très efficaces pour réduire la corrosion due aux carbonates et chlorures fondus à 750°C.

La beauté est que les revêtements texturés sont fabriqués par des procédés évolutifs industriels - comme l'électrodéposition, la gravure chimique, etc. - sur n'importe quel matériau d'alliage de base. Des solutions industrielles vraiment pratiques.

Ainsi, ce que nous avons pu montrer, c'est qu'en utilisant ces revêtements, nous pouvons réduire considérablement la corrosion sur les alliages ferreux à faible coût par rapport aux substrats non revêtus, mais pas seulement cela, nous pouvons obtenir des taux de corrosion inférieurs aux taux de corrosion de des alliages coûteux à haute teneur en nickel comme Haynes 230 qui sont souvent envisagés pour les applications CSP à haute température. Les revêtements sont stables pendant une longue durée et la texturation du métal ne crée pas de problèmes de sécurité environnementale ou personnelle.

C'est fantastique car il existe désormais une approche viable pour que les alliages structuraux à faible coût résistent à la corrosion des fluides caloporteurs et des supports de stockage dans les applications solaires thermiques à concentration à haute température. Notre récent article dans Renewable and Sustainable Energy Reviews explique en détail l'innovation et les résultats.

Sask. :Mais est-ce moins cher ?

PR : Ouais. Nous avons fait une analyse des coûts très détaillée pour montrer que non seulement le taux de corrosion est moindre, mais que c'est aussi moins cher. Nous utilisons essentiellement des processus largement répandus dans l'industrie qui sont rentables et évolutifs. Et les revêtements réduisent la corrosion sur les alliages à faible coût. Ainsi, dans un échangeur de chaleur à sels fondus, vous pouvez utiliser des alliages revêtus à base de fer à faible coût comme l'acier inoxydable ou même des alliages à faible teneur en nickel. Par exemple, avec des alliages d'acier inoxydable revêtus, le coût actualisé de l'échangeur de chaleur s'avère être au moins 30 à 40 % moins cher par rapport à Haynes 230.

Sask. :Les revêtements fractals ont-ils des applications CSP connexes ?

PR : Nous travaillons également sur des revêtements d'absorbeurs solaires pour les récepteurs à haute température où la lumière du soleil est concentrée sur la tour. C'est un autre effort financé par le DOE dont je suis fier. Nous atteignons des rendements très élevés avec nos revêtements, comme 95%, qui présentent très peu de dégradation avec une exposition isotherme et cyclique à haute température pendant de longues périodes. La partie impressionnante est que, bien que l'absorbance soit élevée, l'émittance du revêtement absorbant n'est que d'environ 0,45 environ, ce qui conduit à une efficacité globale élevée. Les revêtements sont extrêmement résistants à l'usure mécanique, aux chocs thermiques et à l'impact du sable, ce qui les rend parfaitement adaptés au CSP Gen3.

Sask. :Émission… ?

PR : Si vous avez un revêtement qui absorbe bien la lumière du soleil, il a également tendance à bien rayonner ; il émet beaucoup de chaleur, ce qui réduit l'efficacité globale de captage.

Les textures fractales sur notre surface absorbante ont de petites grottes qui piègent la lumière, de petites cavités dans lesquelles la lumière rebondit d'avant en arrière. Nous pouvons adapter les caractéristiques de texture et leur configuration pour aller du micron au nanomètre. De cette façon, nous pouvons ajuster l'absorption des différentes longueurs d'onde du spectre lumineux - plus dans les longueurs d'onde inférieures souhaitables, la région visible, et moins dans la région infrarouge, la région des grandes longueurs d'onde.

Nous avons testé les revêtements de manière approfondie à des températures élevées ; les revêtements sont très stables. Nous l'avons recouvert de sable, trempé dans l'eau ; c'est stable. Nous l'avons sorti du four à 750 °C et l'avons immédiatement trempé dans un bain glacé ; les propriétés optiques restent stables. C'est vraiment une solution robuste pour le CSP à haute température.

Sask. :Ces deux innovations de revêtement seraient donc destinées à une utilisation à plus haute température ?

PR : Oui, ils serviront très bien 650+ °C pour les CSP de nouvelle génération. Hormis le CSP, tout procédé solaire thermique à haute température, comme la chaleur industrielle, pourrait bénéficier de ces innovations. Nous avons montré la stabilité des performances du revêtement à 750 °C. Ainsi, toute application à température moyenne à basse serait également facilement bénéfique. Ce sont des innovations extrêmement passionnantes et je suis vraiment fier de ce que fait notre groupe.

Sask. : Que se passe-t-il avec quelque chose comme ça où vous avez inventé une chose complètement nouvelle et améliorée au laboratoire universitaire ? Est-ce que quelqu'un le licencie ?

PR : Oui, c'est le but. Nous avons déposé des brevets. Et nous avons fait beaucoup de diligence en termes de tests d'endurance dans notre laboratoire et quelques tests chez Sandia ; le revêtement a bien tenu. Nous prévoyons également d'effectuer des tests conformes aux normes de l'industrie au NREL pour une validation tierce supplémentaire des performances du revêtement. C'est donc notre chemin vers le marché. Nous nous félicitons des discussions avec toute partie intéressée sur ces innovations.

Sask. :Voyez-vous de nouveaux talents STEM conscients des nouvelles opportunités passionnantes pour résoudre les problèmes alors que le CSP évolue vers des applications à des températures encore plus élevées comme la thermochimie solaire ?

PR : Ils sont certainement beaucoup plus informés et beaucoup plus conscients de la durabilité en général qu'il y a quelques années. Ils ont grandi en voyant ou en roulant dans des Teslas, en voyant des panneaux solaires sur leurs toits ou dans leur quartier. Il y a beaucoup plus de sensibilisation et de discussion dans les médias sur le changement climatique et les énergies renouvelables. Il n'est donc pas surprenant qu'ils connaissent et s'intéressent à ces questions. C'est tout autour d'eux.

Mais vous ne voulez pas former quelqu'un uniquement pour le CSP, ou uniquement le PV, ou uniquement les batteries. Ce que je veux voir, c'est un intérêt général à résoudre les problèmes de société grâce à une science et une ingénierie solides.

Vous voulez donc des ingénieurs fantastiques, des scientifiques des matériaux fantastiques, des physiciens et des chimistes fantastiques qui travaillent de concert pour résoudre les problèmes de CSP. Mon cours sur les solutions énergétiques durables n'est pas suivi par une seule discipline. Je reçois des étudiants en génie, en commerce, en sciences physiques, en architecture, etc. Mon rôle est de les exposer aux problèmes du paysage énergétique/durable d'un point de vue techno/économique/politique et de stimuler leur passion. Pour les diplômés avec la confiance et le but qu'ils seront les architectes de la solution à ce problème dans lequel nous nous sommes embarqués.

Plus de lecture : Nouvelles surfaces texturées pour une atténuation supérieure de la corrosion dans les sels de carbonate fondus pour la concentration de l'énergie solaire Kondaiah, P., & Pitchumani, R. (2022). Nouvelles surfaces texturées pour une atténuation supérieure de la corrosion dans les sels de carbonate fondus pour concentrer l'énergie solaire. Examens des énergies renouvelables et durables, 170, 112961. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112961

Progrès et opportunités en matière d'atténuation de la corrosion dans les fluides caloporteurs pour l'énergie solaire à concentration de nouvelle génération Kondaiah, P., & Pitchumani, R. (2023). Progrès et opportunités dans l'atténuation de la corrosion dans les fluides caloporteurs pour l'énergie solaire à concentration de nouvelle génération. Énergie renouvelable, 205, 956-991. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.01.044

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CatégoriesNouvelles et analyses CSP