Compuestos cerámico-metálicos para intercambiadores de calor en plantas de energía solar concentrada

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Ingeniería de energías renovables
• La termodinámica

Sus antecedentes:

• Las plantas de energía solar concentrada (CSP) pueden aumentar la eficiencia de la generación de electricidad al operar turbinas a temperaturas más altas.
• Los sistemas CSP actuales están limitados por el rendimiento termomecánico de los intercambiadores de calor, especialmente los que utilizan ciclos supercríticos de dióxido de carbono (sCO2).
• Las temperaturas de funcionamiento más altas requieren materiales avanzados de intercambiadores de calor capaces de soportar condiciones extremas.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y evaluar un nuevo material compuesto para intercambiadores de calor de alta temperatura en aplicaciones CSP.
• Para superar las limitaciones de los intercambiadores de calor de aleaciones metálicas existentes en los ciclos de recompresión de sCO2.
• Permitir temperaturas de entrada de turbina más altas para mejorar la eficiencia de la CSP y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Principales métodos:

• Fabricación de placas intercambiadoras de calor compuestas de carburo de zirconio (ZrC) y tungsteno (W) mediante un proceso de conversión química rentable.
• Caracterización de las propiedades térmicas, mecánicas y químicas a alta temperatura del compuesto.
• Prueba de resistencia a la corrosión en dióxido de carbono supercrítico (sCO2) a temperaturas y presiones elevadas, con modificación de la superficie y adición de CO.

Principales resultados:

• El compuesto ZrC/W demostró un excelente rendimiento a altas temperaturas, con resistencias a fallas de más de 350 MPa a 1073 K.
• La conductividad térmica del compuesto fue 2-3 veces mayor que las aleaciones convencionales a base de hierro o níquel a 1073 K.
• La resistencia a la corrosión en sCO2 se logró mediante la unión de cobre y la adición de CO, lo que permitió el funcionamiento por encima de 1023 K.

Conclusiones:

• El compuesto ZrC/W desarrollado es un material robusto para intercambiadores de calor de circuitos impresos que funcionan por encima de 1023 K en ciclos de sCO2.
• Estos intercambiadores de calor ofrecen un rendimiento superior y un costo más bajo en comparación con las alternativas de níquel y superaleación.
• El avance facilita una generación de electricidad más competitiva y sostenible a partir de la energía solar concentrada.