Superstopy dla energetyki cz. 1 - magazyn ciepła na sól solarną MSES i alloy 230

Rozwój energetyki jądrowej i OZE idzie ręka w rękę z rozwojem zaawansowanych, żarowytrzymałych superstopów, zdolnych do pracy w ekstremalnych warunkach.

W tej serii artykułów przyjrzymy się rozwiązaniom technicznym będącym przyszłością energetyki, powiązanym problemom projektowym i wykonawczym, oraz stopom metali, które dzięki swym właściwościom szczególnie dobrze radzą sobie ze stawianymi wyzwaniami.

Magazyny ciepła stopionych soli / soli solarnej

Magazyn ciepła ma za zadanie przechowywać energię cieplną, celem lepszego zarządzania dostawami ciepła / energii. Przybierają różnorakie formy, od prostych zbiorników na wodę, po bardziej zaawansowane technologie.

Magazyny ciepła stopionych soli MSES (z ang. Molten Salt Energy Storage) przechowują energię o temperaturze w przedziale 200-500°C i cechują się wysoką mocą ładowania / rozładowania. Wykorzystywane są w połączeniu z elektrowniami skoncentrowanej energii słonecznej (CSP), które koncentrują ogromne ilości energii cieplnej i wytwarzają z niej energię elektryczną. Stopione sole odbierają ciepło generowane za dnia i uwalniają je zachodzie słońca, co umożliwia generację niskoemisyjnej energii elektrycznej w godzinach najwyższego zapotrzebowania.

Ciekawostka

Występująca w nazwie technologii „sól” nie odnosi się do znanej nam smacznej, białej substancji, a do soli w ujęciu chemicznym - związków chemicznych będących produktem reakcji kwasu z zasadą. Powszechnie stosowane w urządzeniach MSES sole to mieszanina eutektyczna azotynu potasu i azotanu sodu (saletry), tak zwana sól solarna. Poprawnie po polsku nie mówimy zatem o magazynach na stopioną sól (liczba pojedyncza), ale o magazynach stopionych soli lub magazynach ciepła na sól solarną.

Wyzwanie dla stopów metali

Wyzwanie: Rury tworzące odbiornik ciepła muszą a) dobrze znosić gwałtowne i częste cykle nagrzewania i chłodzenia w środowisku stopionej mieszaniny azotynu i azotanu w zakresie temperaturowym 200-500°C oraz b) cechować się odpornością na częste obciążenia zmęczeniowe.

Korozja: Środowisko stopionych soli jest wysoce korozyjne, skutecznie usuwając z wielu stopów metali ochronną warstwę. Korozja następuje głównie przez utlenianie, a następnie rozpuszczanie metali w mieszaninie soli. Obecność w soli pary wodnej przyspiesza korozję. Stopione sole mogą powodować korozję równomierną, wżerową i międzykrystaliczną. Roztopiona mieszanina azotanu sodu i azotynu potasu powoduje szybką korozję czystego niklu, stali węglowych i stali nierdzewnych chromowo-molibdenowych.

Zmęczenie: Rury powinny znieść 30 000 cykli rozciągania i ściskania, co odpowiada nagrzewaniu i chłodzeniu.

Rozwiązanie: alloy 230

Alloy 230 to stop niklowo-chromowo-wolframowo-molibdenowy o doskonałej żarowytrzymałości i doskonałej odporności na korozję w środowisku ze związkami azotu, z powodzeniem wykorzystywany w magazynach ciepła na stopione sole.

Odporność na związki azotu. Poniżej przedstawiamy wyniki absorpcji azotu w czasie trwającego 168 godzin testu w płynącym amoniaku o temperaturze 650°C (wedle producenta Haynes® International):

• alloy 230: 0,7 mg/cm3
• alloy 600: 0,8 mg/cm3
• alloy 625: 0,8 mg/cm3
• alloy X: 1,7 mg/cm3
• alloy 800H: 4,3 mg/cm3
• alloy 316 SS: 6,9 mg/cm3

Odporność na zmęczenie, stabilność termiczna: alloy 230 zachowuje wysoką ciągliwość mimo długotrwałej ekspozycji na wysoką temperaturę. Jest to główna zaleta tego stopu wobec alloy 625 i X. Wyniki na podstawie danych producenta Haynes® International:

Wartość alloy 230 do magazynów ciepła na sól solarną potwierdzają cytaty:

„Rury ze stopów niklu, szczególnie ze stopu alloy 230®, skutecznie przeciwstawiają się obciążeniom zmęczeniowym i pełzaniu”.
~ Bruce Kelly, Prezentacja Nitrate Salt Receivers, Solar Dynamics LLC

„Wyższa żarowytrzymałość Haynes^®230^® alloy pozwala na zmniejszenie przekroju rur o 75% względem gorszych stopów, bez pogorszenia zdolności do przenoszenia obciążeń”.
~ Haynes International

Inne stopy, które warto wziąć pod uwagę

Stopy alloy 625, alloy 600 i alloy X również są wysoce odporne na korozję w środowisku  azotanów, lecz są mniej wytrzymałe na zmęczenie. Stanowią jednak alternatywę wobec alloy 230®.