Projekti / Programi
Visoko-zmogljive nanostrukturirane prevleke ? preboj za koncentratorske sončne elektrarne
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Koncentratorske sončne elektrarne, absorberji, spektralno selektivne visokotemperaturne prevleke, špineli kermeti, pigmenti, nizka termična emisivnost
Raziskovalci (18)
Organizacije (4)
Povzetek
Predlagane raziskave v okviru konzorcija: Projektna skupina sestavljena iz raziskovalnih organizacij: Kemijski inštitut (NIC), Inštitut Jožef Stefan (IJS), Univerza v Novi Gorici (UNG) in Zdravstvene Fakultete (ZF) s podporo sodelavcev z Hebrew Univerze v Izraelu in Nanyang Tehnološke Univerze v Singapurju, bo v okviru projekta opravila razvoj spektralno selektivnih prevlek (SSC) za koncentratorske sončne elektrarne (CSP). Prevleke temeljijo na stabilnih anorganskih nano-materialih, predvsem na novih oksidih kovin prehoda, ki jih je moč pripraviti z inventivnim »bottom-up« pristopom. Prevleke so namenjeni za sprejemnike sončne toplote CSP s centralnim stolpom, v katerega je usmerjenih več deset tisoč ogledal. SSC so namenjene za delovanje pod atmosferskimi pogoji pri temperaturi 750 °C. Obstojnost in ocena življenjske dobe omenjenih prevlek je ključnega pomena za optimalen izkoristek CSP. Izgradnja CSP traja navadno več let, zato je izrednega pomena ohranjanje čistih absorberskih površin pred prvim zagonom.
Stanje tehnike: CSP s centralnim stolpom trenutno uporabljajo neselektivne prevleke. Slabost omenjenih prevlek je, da imajo visoko termično emisivnost, kar se odraža v izgubi velike količine energije s sevanjem. NIC je v večih projektih z industrijskim partnerji že nakazal možnost priprave SSC z uporabo različnih pigmentov in na temperaturno obstojnih siloksanskih veziv kovinskih podlagah, zlasti na Inkonelu.
Potrebe tržišča: Nova generacije CSP želi izboljšati izkoristek delovanja CSP in obenem tudi podaljšati čas obratovanja pozno v noč. Na tem področju obstaja popolno pomanjkanje tehnologij za pripravo SSC. Ključnega pomena pri povišanju izkoristkov je zmanjšanje termične emisivnosti SSC. Masovna proizvodnja prevlek na robustnih industrijskih sprejemnikih, velikih več 10 m2, ni mogoča z dragimi prevlekami pripravljenimi po vakuumskih postopkih naparevanja, zato so inventivne tehnologije, ki omogočajo proizvodnjo po enostavnih postopkih z razumno končno ceno produktov, so neobhodni.
Usmeritve: Izvesti temeljne raziskave na novih tehnologijah za pripravo naprednih SSC z visoko absorbcijo sončnega sevanja in nizko termično emisivnostjo, ki omogočajo ekonomično izdelavo obstojnih prevlek pri temperaturah delovanja CSP na specialnih jeklih pri večletni obremenitvi. Izvedljivost tehnologije bo prikazana na laboratorijski skali, obenem pa bodo tehnologije prilagojene za izvedbo v večjem merilu ter primerne za masovno proizvodnjo.
Glavni cilji:
razvoj in priprava široke palate špinelnih pigmentov na osnovi oksidov prehodnih kovin;
priprava in karakterizacija gostih antikorozijskih plasti z nizko termično emisivnostjo;
priprava in karakterizacija selektivnih absorberskih plasti;
ocena življenjske dobe selektivnih absorberskih plasti;
priprava in karakterizacija samočistilnih plasti.
Pričakovani rezultati:
Projekt ponuja celovito rešitev za pripravo selektivnih prevlek za CSP na laboratorijskem nivoju in obenem daje priložnost za razumevanje novih sintetiziranih nano-materialov pred in po termični obremenitvi, ki je obvezna za pojasnjevanje stabilnosti optičnih in mehanskih lastnosti sintetiziranih funkcionalnih materialov. S pomočjo sodobnih analitičnih tehnik bomo poskušali razjasniti delovanje, preoblikovanje pod termično obremenitvijo in izpopolniti delovanje pripravljenih funkcionalnih prevlek. Z nanosom tankih plasti, ki jih odlikuje visoka vodoodbojnost in samočistilnost, bomo prispevali k ohranjanju funkcionalnih prevlek pred prvim zagonom CSP. Prepričani smo, da bo naš pristop (bottom-up) z rezultati dokazal, da je možno pripraviti temperaturno obstojne SSC s pomočjo vnaprej pripravljenih pigmentov in enostavnih tehnik nanašanja. Omenjene študije so nujne, čeprav je ta projekt temeljne narave, da pokažejo realne možnosti za napredek SSC za CSP in obenem spodbudijo zanimanje industrije za visoko temperaturne SSC.
Pomen za razvoj znanosti
Obseg del predlaganega projekta je razvoj in izvajanje SSC za CSP, s tehnologijo osrednjega stolpa (TOS), iz kovinskih oksidov prehodnih elementov na kovinskih podlagah. CSP s TOS je pridobila v preteklosti, z novimi projekti v izgradnji, visoko pozornost. Ta projekt, s pristopom od spodaj navzgor, je močno usmerjen v razvoj novih pigmentov, s spektralno selektivnimi lastnostmi, ki se bodo uporabljali v na novo razvitih spektralno selektivnih premazih za CSP. Nova sintezna pot bo omogočila nanašanje pigmentov v premazih z enostavnim nanašanjem (pršenjem s stisnjenim zrakom). Pričakujemo, da bo vzpostavljena primerna platforma materialov, potrebnih za razvoj novih SSC z boljšimi optičnimi in toplotnimi lastnostmi. Poleg tega je razvoj premazov iz pred pripravljenih pigmentov s spektralnimi lastnostmi in drugimi želenimi lastnostmi splošnega pomena za zajemanje sončne energije, in tudi zelo pomembna za širšo uporabo "zelenih" tehnologij. V primerjavi s standardnimi premazi z visoko sončno absorpcijo ali visoko temperaturnimi premazi z visoko absorpcijo sončnega sevanja (HSA), bo morala predlagana tehnologija v projektu omogočiti enostavnejšo izdelavo in nižje cene, skupaj z demonstracijo večje učinkovitosti. SSC premazi za visoko temperaturne absorberje obratujejo pri atmosferskih pogojih, vendar premazi še niso na trgu in zato obstajajo naslednji razlogi: nezadostno znanje o fizikalnih in kemičnih procesih, ki vplivajo na glavne značilnosti spektralno selektivne prevleke pri temperaturi nad 700 °C med delovanjem, nerešeni problemi v zvezi s pripravo tankih prevlek z visoko gostoto, ki delujejo kot zaporne prevleke in imajo hkrati nizko termično emisivnost, priprava pigmentov spektralno selektivnih lastnosti in najpomembneje, pomanjkanje ustreznega veziva z nizko termično emisivnostjo, visoko toplotno prevodnostjo in odličnimi mehanskimi lastnostmi (odporne na abrazijo in razpoke), ki omogočajo gradnjo SSC z dolgo življenjsko dobo. Raziskave predvidene v okviru projekta, bodo usmerjene na opravljanje ciljno usmerjenih eksperimentov, ki nam bodo omogočili, da določimo in spremljamo najpomembnejše lastnosti spektralno selektivnih premazov za uporabo pri visokih temperaturah: razvoj oksidnih pigmentov na podlagi elementov prehoda s kovinskimi vključki, ki omogočajo pripravo SSC na kovinskih podlagah, ki izkazujejo visoko gostoto, medsebojne povezave delcev in visoko učinkovitost zajemanja sončne svetlobe. Premaze je treba preskusiti v naslednji fazi s pospešenimi postopki testiranja in na podlagi razumevanja njihove obrabe, napovedati življenjsko dobo. Velik vpliv in pomen projekta je predviden zaradi namena prenosa znanja in tehnologij SSC med različnimi partnerji in gospodarstvom. Vključno s tistimi, ki želijo raziskati tudi potencial omenjenih prevlek za zajemanje obnovljivih virov energije (Hebrew University v okviru novega programa (NOVO-CREATE) z Nanyang Technology Univerzo v Singapurju).
Pomen za razvoj Slovenije
Obstoječi načrti proizvodnje energije v številnih državah obravnavajo kako, zmanjšati emisije toplogrednih plinov in onesnaževanju zraka, obdržati nizke cene energije in spodbujati ustvarjanje novih delovnih mest. Do konec leta 2050 se bodo v ZDA srečali z obremenitvami, ki jih bodo reševali z energijo iz: ~30,9% vetrne energije na kopnem, ~19,1% vetrne energ. na morju, ~30,7% fotonapetosntnih modulov (PV), od tega ~7,2% na strehah, ~7,3% koncentratorskih sončnih elektrarn (CSP) s skladiščenjem, ~1,25% geotermalna energija, ~0,37% energija valov, ~0,14% plimovanje in ~3,01% hidroenergija. Na podlagi vzporednega študija integracije omrežja, so potrebne dodatne 4,4% do 7,2% moči, poleg tistih, ki so potrebne za letne obremenitve, s skladiščenjem in sončna toplota za ogrevanje, za dosego vrhunca po stabilnosti omrežja.59 Kot je znano, omogoča 1 km2 puščave zajemanje 200-300 GWh električne energije na leto. To omogoča 200 000 ton CO2 manj na letni ravni, seveda s koncentratorskimi sončnimi elektrarnami, ki igrajo pomembno vlogo v gospodarstvu in družbi. Jasno je, da se skupni promet v industriji barv v Sloveniji ne bo vsako leto spremenil prepričljivo s proizvodnjo spektralno selektivnih prevlek za CSP, vendar pa Slovenska družba lahko pridobi veliko z dobički od proizvodnje pri uspehu iz razvoja SSC. Jasno je, da so inteligentni nadzor zajemanja sončne energije in razvoj prevlek z dolgoživostjo kompleksne narave, ki zahtevajo osnovne raziskave, njeno preverjanje v aplikacijah, demonstracija s socialnimi, političnimi in zakonodajnimi vidiki na nacionalni ravni in ravni EU, ter ustrezno financiranje in proračun. Potrebno je učinkovito sodelovanje med različnimi laboratoriji in industrijo, da bi dosegli praktično uporabo izdelkov z visoko dodano vrednostjo, ki izhaja iz razvoja novih funkcionalnih materialov, ki temeljijo na nanoznanosti. To bo nedvomno doseženo v tem projektu: NIC se osredotoča na temeljne raziskave in proizvodnjo funkcionalno nanostrukturnih pigmentnih premazov, pospešeno preizkušanje in modeliranje življenjske dobe premazov. Poleg tega bo NIC razvil nizkocenovne premaze s proti madežastimi lastnostmi, primerne za zaščito absorpcijskih površin pred prvim zagonom elektrarne. IJS (in tudi NIC) bosta aktivna na razvoju zapornih prevlek in veziv z nizko termično emisivnostjo. Raziskave toplotne prevodnosti bo opravljala UNG. Razvite tehnologije lahko znižajo izgube energije na absorberjih CSP, nižje emisije CO2 in ohranijo okolje. Koordinativno delovanje teh partnerjev bo zagotovilo ustrezno platformo, znanja za izdelavo in oceno učinkovitosti SSC za CSP, ki omogoča inteligenten nadzor zajemanja svetlobe tudi v prihodnjih aplikativnih projektih, tudi na ravni EU. Pomembnost pigmentov za visoko temperaturne namene je tudi v dejstvu, da se lahko znanje o teh pigmentnih disperzijah bistveno prispeva k stopnji znanja o pripravi drugih pigmentnih disperzijah, ki so potrebne tudi za druga tehnološka področja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
