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Bessere Wärmetauscher für Solarthermie

Solarthermieanlagen sind ein gutes Beispiel für den Teilchen-Welle-Dualismus der im Planckschen Wirkungsquantum h ausgedrückt wird: E = hf. Dabei is h die Planck-Konstante, f ist die Frequenz des Lichts und E ist die daraus resultierende Energie. Demnach ist also der Energieetrag umso höher, je höher die Frequenz der Lichtwellen ist. Solarthermische Metallkollektoren wandeln die Energie von hochfrequentem Licht um, indem eine Fülle von niederfrequentem Licht durch Compton-Verschiebungen erzeugen. Glas- oder Keramikbeschichtungen mit hoher Durchlässigkeit für sichtbares Licht und Licht im UV-Bereich fangen das vom Metall erzeugte das niederfrequente Licht auf, weil sie infrarotes Licht wirksam absorbieren (sogenannte Wärmeblocker). Nach dem Sammeln der Wärme verbessert sich der Wirkungsgrad der Solarthermieanlage mit zunehmender Größe erheblich. Darin liegt auch der größte Vorteil solcher Anlagen verglichen mit Photovoltaik. Ein Nachteil ist allerdings die nachgeordnete Verwandlung von Wärme in Elektrizität mithilfe von Turbinen und Wärmetauschern − ein Problem nicht nur in Solarthermieanlagen.

Zur Bereitstelung des heißen Gases (superkritisches CO2) sind Wärmetauscher notwending. Diese Wärmetauscher übertragen die von einem Kraftwerk erzeugte Wärmeenergie auf die Arbeitsflüssigkeit in einer Wärmekraftmaschine (meistens eine Dampfturbine), die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Die mechanische Energie wiederum wird zur Stromerzeugung genutzt. Diese Wärmetauscher werde bei ~800 Kelvin betrieben und könnten jedoch effizienter sein, läge die Temperatur bei 1.000 Kelvin. Der gesamte Prozess der Umwandlung von Wärme in Elektrizität wird als Leistungszyklus bezeichnet. und ist ein kritischer Prozess in der Stromerzeugung durch Solarthermieanlgane. Den Wärmetauschern kommt dabei eine Schlüsselrolle zu.

Für Wärmetauscher wäre Keramik ein idealer Werkstoff weil er extreme Temperaturschwankungen aushalten kann. Anders als Metalle, ist Keramik aber nicht so einfach formbar. Relativ grobe Formen sind aber schnell und einfach gemacht. Metalle dagegen können leicht geformt werden und weisen eine hohe mechanische Belastbarkeit auf. Metalle und Keramiken werden schon seit Jahrhunderten für ihre charakteristischen Eigenschaften geschätzt. Zum Beispiel haben Bronze und Eisen eine gute Stoßfestigkeit und sind so formbar, daß sie zu komplexen Formen wie Waffen und Schlössern verarbeitet wurden. Keramiken, wie die zur Herstellung von Töpferwaren verwendeten Materialien, wurden zu einfachen Formen geformt. Ihre Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion machte Keramik zu geschätzten Werkstoffen. Ein neuer Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik kombiniert diese Eigenschaften auf erstaunliche Weise. Eine Forschergruppe um Mario Caccia berichtete nun im angesehen Fachmagazin Nature über ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit Eigenschaften, die es für Wärmetauscher in Solarthermieanlagen verwendbar macht.

Die Geschichte solcher Verbundwerkstoffe reicht bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. Das Aufkommen von Düsentriebwerken erzeugte einen Bedarf an Materialien, die eine hohe Beständigkeit gegen Hitze und Oxidation aufweisen. Zudem besaßen sie die Fähigkeit, schnelle Temperaturänderungen zu bewältigen. Ihre ausgezeichnete mechanische Festigkeit, die diese von vorhandenen Metallen oft übertraf, wurde von der neu entstanden Luftfahrtindustrie sehr geschätzt. Es wundert daher nicht, daß die US-Luftwaffe mehr Forschung zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundstoffen finanzierte. Das Wort „Cermet“ wurde geprägt. Cermets wurden seitdem für mehrere Anwendungen entwickelt, in den meisten Fällen wurden sie jedoch für kleine Teile oder Oberflächen verwendet. Der nun veröffentlichte Verbundstoff hält extremen Temperaturen, hohen Drücken und schnellen Temperaturwechseln stand. Er könnte den Wirkungsgrad von Wärmetauscher in Solarthermieanlagen um 20% erhöhen.

Um den Verbundwerkstoff herzustellen, produzierten die Autoren zunächst eine Vorstufe, die hernach einer weiteren Verarbeitung unterzogen wurde. Dieses Vorgehen läßt sich am besten mit dem Töpfern der ungebrannten Version eines Tontopfs vergleichen. Die Autoren verdichteten Wolframkarbid-Pulver in die ungefähre Form des gewünschten Gegenstandes (z.B. einen Wärmetauscher) und erhitzten es bei 1.400 °C für 2 Minuten, um die Teile miteinander zu verbinden. Sie bearbeiteten dann diese poröse Vorform weiter, um die gewünschte endgültige Form zu erzeugen.

Als nächstes erhitzten die Autoren die Vorform in einer chemisch reduzierenden Atmosphäre (ein Gemisch aus 4% Wasserstoff in Argon) bei 1.100 °C. Bei der selben Temperatur tauchten sie die Vorform in ein Becken mit flüssigem Zirkonium und Kupfer (Zr2Cu) ein. Schließlich wurde die Vorform durch Erhitzen auf 1.350 °C entfernt. Bei diesem Prozess verdrängt das Zirkonium das Wolfram aus dem Wolframkarbid, wodurch Zirkoniumkarbid (ZrC), sowie Wolfram und Kupfer erzeugt werden. Das flüssige Kupfer wird aus der ZrC-Matrix verdrängt, wenn sich das Material verfestigt, so dass das endgültige Objekt aus ungefähr 58% ZrC-Keramik und 36% Wolframmetall mit geringen Mengen an Wolframkarbid und Kupfer besteht. Das Schöne an der Methode ist, dass die poröse Vorform in einen nicht poröses ZrC / Wolfram-Verbundwerkstoff mit den gleichen Abmessungen umgewandelt wird. Dabei beträgt die Gesamtvolumenänderung etwa 1–2%.

Der elegante Herstellungsprozess wird durch die Robustheit des Endprodukts aufgewertet. Bei 800 °C leitet das ZrC / Wolfram-Cermet die Wärme 2 bis 3 Mal besser als Eisenlegierungen auf Nickelbasis. Solche Legierungen werden derzeit z.B. in Hochtemperatur-Wärmetauschern verwendet. Neben der verbesserten Wärmeleitfähigkeit ist zudem die mechanische Festigkeit des ZrC / Wolfram-Verbunds höher als die von Nickellegierungen. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Temperaturen bis mindestens 800 °C nicht beeinflusst, selbst wenn das Meterial zuvor einer Erwärmung unterzogen wurde, z.B. bei Kühlzyklen zwischen Raumtemperatur und 800 °C. Im Gegensatz dazu verlieren Eisenlegierungen, wie z.B. rostfreie Stähle, und Nickellegierungen bei Temperaturen zwischen 500 °C und 800 °C mindestens 80% ihrer Festigkeit.

(Foto: Wikipedia)