Corrección de corrosión fractal en Gen3 CSP por Ranga Pitchumani

Publicado el9 de junio de 20239 de junio de 2023AutorSusan Kraemer

Cómo un novedoso recubrimiento de acero fractal previene la corrosión en CSP Gen3, descrito en Novelas superficies absorbentes solares con textura fractal para energía solar concentrada publicado en Elsevier: Materiales de energía solar y células solares

Recientemente nos reunimos con el Dr. Ranga Pitchumani, quien fue el científico jefe de la Iniciativa SunShot, director fundador de su programa Concentrating Solar Power (CSP) y director del programa de integración de sistemas (redes) de la iniciativa en el Departamento de Energía de EE. UU. ( GAMA). Ahora está de vuelta en su hogar académico en Virginia Tech, donde es profesor de ingeniería mecánica de la cátedra George R. Goodson Endowed. Dirige el Laboratorio de Tecnologías y Materiales Avanzados en una amplia gama de proyectos en el nexo energía-materiales y enseña a una nueva generación de estudiantes Soluciones de Energía Sostenible.

SK:Gracias por tomarse el tiempo para hablar conmigo.

PR:Es un placer conectar contigo, Susan, después de todos estos años.

SK: Quiero saber acerca de su nuevo artículo sobre el uso de superficies fractales para reducir la corrosión. Pero primero, para entender por qué; este otro artículo del que es coautor recientemente cubre muchos otros intentos de resolver la corrosión en la CSP. Debe ser el estudio más completo jamás realizado. (Progreso y oportunidades en la mitigación de la corrosión en fluidos de transferencia de calor para energía solar de concentración de próxima generación 2023)

PR: Sí. Esa es una revisión muy detallada del trabajo realizado hasta la fecha sobre la corrosión de aleaciones en sales fundidas, metales líquidos y CO2 supercrítico. Es un buen compendio de información sobre los mecanismos de corrosión y los diferentes enfoques para mitigarla. Si bien hay muchos estudios en todo el mundo sobre cómo controlar la corrosión, el documento los reúne en una plataforma común con vistas a centrar los esfuerzos futuros en las necesidades de Gen3 CSP.

SK: Sé que has publicado sobre muchos aspectos de la ciencia material. ¿Por qué la corrosión es importante para la CSP ahora?

PR: Una de las ventajas de la CSP es que puede almacenar energía térmica. Esa es una buena ventaja, pero también un desafío en términos de llevar la CSP al siguiente nivel, donde el costo nivelado de la CSP debe ser más bajo. Una de las formas de hacer que la CSP sea rentable es elevar la temperatura de funcionamiento de la planta para que tenga una temperatura más alta de CO2 supercrítico o el fluido de trabajo que va al sistema de conversión de energía para generar electricidad. DOE tiene como objetivo que Gen3 CSP esté por encima de 650 °C y hasta 750 °C o más. Con las temperaturas de funcionamiento más altas previstas, la corrosión es una preocupación fundamental en la ruta del líquido para Gen3 CSP, donde el calor concentrado de la radiación solar se captura en sales fundidas o metales líquidos como fluidos de transferencia de calor.

SK:Los 6 o 7 GW de CSP que hay ahora, ¿corren riesgo de corrosión?

PR: Oh, no. La corrosión por sal solar generalmente se comprende bien y está bien contenida en las plantas de CSP actuales (Gen2). El desafío no abordado de la corrosión surge cuando se lleva la CSP a temperaturas más altas donde los fluidos de transferencia de calor viables, como cloruros, carbonatos, etc., son extremadamente corrosivos para las aleaciones de contención. Para que la CSP de próxima generación se haga realidad, todas las piezas del rompecabezas deben encajar bien, como receptores de alta temperatura, soluciones para mitigar la corrosión debida a los fluidos de transferencia de calor, bloque de energía de CO2 supercrítico de alta eficiencia, etc.

SK: Entonces, ¿todos estos documentos son solo para CSP de próxima generación y calor para la industria y termoquímica solar en reactores a temperaturas más altas?

PR: Porque ahí es donde está el problema y se vuelve más grave a medida que aumenta la temperatura. Una declaración coloquial de la ley de Arrhenius es que a medida que aumenta la temperatura, se desata el infierno, lo que significa que la tasa de corrosión aumenta drásticamente. Por lo tanto, puede parecer un pequeño cambio de 565 °C, donde operan las plantas existentes, a 650 °C. Eso es sólo 85 grados más. Pero incluso esa diferencia de temperatura tiene un gran impacto en la corrosión debido a la naturaleza exponencial de cómo la tasa de corrosión depende de la temperatura.

Fundamentalmente, los problemas de materiales de alta temperatura han existido durante mucho tiempo en diferentes aplicaciones. Las turbinas de gas, por ejemplo, de ahí provienen muchos de los recubrimientos de alta temperatura, muchas de las innovaciones de materiales porque enfrentan temperaturas enormes, como más de 1000 °C. Para la CSP, con el requisito adicional de bajo costo para la comercialización, los desafíos son los de cumplir con los objetivos de rendimiento y costo simultáneamente. Por lo tanto, es un terreno fértil donde los científicos de materiales, físicos, químicos e ingenieros pueden explorar sus ideas creativas y desarrollar soluciones.

El texturizado fractal del metal evita la corrosión en Gen3 CSP: del artículo Nuevas superficies absorbentes solares con textura fractal para energía solar concentrada

SK:Y usted describe en este documento que ha desarrollado un enfoque completamente diferente a la corrosión, al recubrir el contenedor: Nuevas superficies absorbentes solares con textura fractal para energía solar concentrada.

PR: Sí, hace algunos años habíamos desarrollado superficies multiescala altamente texturizadas que eran muy buenas para mitigar la corrosión a bajas temperaturas inferiores a 100 °C. Tenemos una solicitud de patente sobre las condiciones de operación en las que hacemos los recubrimientos y generamos estas texturas.

Entonces la idea fue, ¿podemos saltarnos para abordar la corrosión a alta temperatura? Y ahí es donde comenzó nuestro trabajo sobre la mitigación de la corrosión por sales fundidas.

En un programa reciente financiado por el DOE, desarrollamos recubrimientos que son fractales multiescala altamente texturizados, como un copo de nieve en el que, si sigue ampliando, obtiene lo que se denomina estructuras autosimilares, que son muy eficaces para disminuir la corrosión debida a carbonatos y cloruros fundidos en 750 °C.

La belleza es que los recubrimientos texturizados se fabrican mediante procesos industrialmente escalables, como electrodeposición, grabado químico, etc., en cualquier material de aleación base. Soluciones industriales realmente prácticas.

Entonces, lo que pudimos demostrar es que al usar estos recubrimientos, podemos reducir drásticamente la corrosión en aleaciones ferrosas de bajo costo en comparación con los sustratos sin recubrimiento, pero no solo eso, podemos lograr que las tasas de corrosión sean menores que las tasas de corrosión de aleaciones costosas con alto contenido de níquel como Haynes 230 que a menudo se consideran para aplicaciones CSP de alta temperatura. Los recubrimientos son estables durante mucho tiempo y texturizar el metal no crea problemas ambientales o de seguridad personal.

Es fantástico porque ahora existe un enfoque viable para que las aleaciones estructurales de bajo costo sean resistentes a la corrosión de los fluidos de transferencia de calor y los medios de almacenamiento en aplicaciones de energía solar térmica de concentración de alta temperatura. Nuestro artículo reciente en Renewable and Sustainable Energy Reviews explica la innovación y los resultados en detalle.

SK:¿Pero eso es más barato?

PR: Sí. Hemos realizado un análisis de costos muy detallado para mostrar que no solo la tasa de corrosión es menor, sino que también es más económica. Esencialmente estamos utilizando procesos industrialmente ampliamente utilizados que son rentables y escalables. Y los recubrimientos reducen la corrosión en aleaciones de bajo costo. Por lo tanto, en un intercambiador de calor de sales fundidas, puede usar aleaciones recubiertas a base de hierro de bajo costo como acero inoxidable o incluso aleaciones con bajo contenido de níquel. Por ejemplo, con aleaciones de acero inoxidable recubiertas, el costo nivelado del intercambiador de calor resulta ser al menos un 30-40 % más económico en comparación con Haynes 230.

SK:¿Los recubrimientos fractales tienen alguna aplicación CSP relacionada?

PR: También estamos trabajando en recubrimientos absorbentes solares para receptores de alta temperatura donde la luz del sol se concentra en la torre. Ese es otro esfuerzo financiado por el DOE del que estoy orgulloso. Logramos eficiencias muy altas con nuestros recubrimientos, como el 95%, que muestran muy poca degradación con la exposición isotérmica y cíclica a altas temperaturas durante largos períodos de tiempo. Lo impresionante es que, si bien la absorbancia es alta, la emitancia del recubrimiento absorbente es de solo alrededor de 0,45, lo que conduce a una alta eficiencia general. Los recubrimientos son extremadamente resistentes al desgaste mecánico, al choque térmico y al impacto de la arena, lo que los hace muy adecuados para Gen3 CSP.

SK:¿Emitancia…?

PR: Si tiene un recubrimiento que absorbe bien la luz solar, también tiende a irradiar bien; emite mucho calor, por lo que se reduce la eficiencia general de captura.

Las texturas fractales en nuestra superficie absorbente tienen pequeñas cuevas que atrapan la luz, pequeñas cavidades en las que la luz rebota de un lado a otro. Podemos adaptar las características de la textura y su configuración para variar desde micras hasta nanómetros. De esta forma, podemos ajustar la absorción de las diferentes longitudes de onda del espectro de luz, más en las deseables longitudes de onda más bajas, la región visible, y menos en la región infrarroja, la región de longitud de onda larga.

Hemos probado los recubrimientos extensamente a altas temperaturas; los recubrimientos son muy estables. Le hemos echado arena, lo hemos sumergido en agua; es estable Lo hemos sacado del horno a 750 °C e inmediatamente lo hemos apagado en un baño helado; las propiedades ópticas se mantienen firmes. Es realmente una solución robusta para CSP de alta temperatura.

SK:Entonces, ¿estas dos innovaciones de superficies serían para uso a temperaturas más altas?

PR: Sí, funcionarán muy bien a más de 650 °C para la CSP de próxima generación. Aparte de la CSP, cualquier proceso solar térmico a alta temperatura, como el calor industrial, podría beneficiarse de estas innovaciones. Hemos demostrado la estabilidad del rendimiento del revestimiento a 750 °C. Por lo tanto, cualquier aplicación de temperatura media a baja también se beneficiaría fácilmente. Estas son innovaciones tremendamente emocionantes y estoy muy orgulloso de lo que hace nuestro grupo.

SK: ¿Qué sucede con algo así en el que inventaste algo completamente nuevo y mejorado en el laboratorio de la universidad? ¿Alguien lo licencia?

PR: Sí, ese es el objetivo. Hemos solicitado patentes. Y nos hemos esforzado mucho en términos de pruebas de resistencia en nuestro laboratorio y algunas pruebas en Sandia; el revestimiento se ha mantenido bien. También planeamos realizar pruebas estándar de la industria en NREL para la validación adicional de terceros del rendimiento del recubrimiento. Ese es nuestro camino hacia el mercado. Damos la bienvenida a las discusiones con cualquier parte interesada sobre estas innovaciones.

SK:¿Está viendo nuevos talentos STEM conscientes de las nuevas y emocionantes oportunidades para resolver problemas a medida que la CSP evoluciona hacia aplicaciones de temperatura aún más altas, como la termoquímica solar?

PR: Sin duda, están mucho más informados y mucho más conscientes de la sostenibilidad en general que hace varios años. Han crecido viendo o montando en Teslas, viendo paneles solares en sus tejados o en su vecindario. Hay mucha más conciencia y discusión en los medios sobre el cambio climático y las energías renovables. Así que no es de extrañar que conozcan y se preocupen por estos temas. Está a su alrededor.

Pero no desea capacitar a alguien solo para CSP, o solo PV, o solo baterías. Lo que quiero ver es un interés general en resolver problemas sociales a través de ciencia e ingeniería sólidas.

Así que quiere ingenieros fantásticos, científicos de materiales fantásticos, físicos y químicos fantásticos que trabajen en conjunto para resolver problemas para la CSP. Mi curso sobre Soluciones de Energía Sostenible no se toma solo en una disciplina. Recibo estudiantes de ingeniería, negocios, ciencias físicas, arquitectura, etc. Mi función es exponerlos a los problemas del panorama energético/sostenible desde una perspectiva tecno/económica/política y estimular su pasión. Graduarlos con la confianza y el propósito de que serán los artífices de la solución a este problema en el que nos hemos metido.

Más lectura: Superficies texturizadas novedosas para una mitigación superior de la corrosión en sales de carbonato fundidas para energía solar de concentración Kondaiah, P., & Pitchumani, R. (2022). Superficies texturizadas novedosas para una mitigación superior de la corrosión en sales de carbonato fundidas para concentrar energía solar. Revisiones de energía renovable y sostenible, 170, 112961. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112961

Progreso y oportunidades en la mitigación de la corrosión en fluidos de transferencia de calor para energía solar de concentración de próxima generación Kondaiah, P., & Pitchumani, R. (2023). Avances y oportunidades en la mitigación de la corrosión en fluidos de transferencia de calor para energía solar de concentración de próxima generación. Energía Renovable, 205, 956-991. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.01.044

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