Die Frage, wie wir eine möglichst nachhaltige und effiziente Energieversorgung sicherstellen möchten, ist besonders aus dem Blickpunkt auf die globale Erderwärmung und die aktuellen hohen Emissionen von Treibhausgasen interessant. Die Anforderungen an die Nutzung von Energie steigen.
Aufgrund der hohen gegenwärtigen und zukünftigen Relevanz dieses Themas bedarf es einer signifikanten Effizienzsteigerung in der Energieversorgung durch regenerative Energien. Diese kann unter anderem durch eine Materialoptimierung in den Energieerzeugern erzielt werden.
Ziel ist es, Einsatzmöglichkeiten von konkreten refraktären Metall-Keramik-Verbindungen in den erneuerbaren Energien ausfindig zu machen und die Verbesserung der Energieeffizienz durch die Verwendung dieser zu erörtern. In dieser Arbeit wird von den erneuerbaren Energien das Sonnenwärmekraftwerk als Beispiel betrachtet, da sich dort durch die hohen auftretenden Temperaturen ein möglicher Anwendungsbereich von Metall-Keramik-Verbunden ergibt.
Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- 1 Einleitung Forschungsthema
- 1.1 Problemstellung
- 1.2 Zielsetzung
- 2 Theoretische Grundlagen
- 2.1 Keramische Materialien
- 2.1.1 Einteilung, Struktur
- 2.1.2 Eigenschaften keramischer Werkstoffe
- 2.1.3 Einsatzgebiete keramischer Werkstoffe
- 2.2 Metalle
- 2.2.1 Rohstoffe, Struktur
- 2.2.2 Eigenschaften metallischer Werkstoffe
- 2.2.3 Refraktärmetalle
- 2.3 Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe
- 2.3.1 Eigenschaften von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
- 2.4 Sonnenwärmekraftwerke
- 2.4.1 Funktion
- 2.4.2 Aufbau
- 2.1 Keramische Materialien
- 3 Einsatzmöglichkeiten in Sonnenwärmekraftwerken
- 3.1 Hochtemperaturbeschichtung
- 3.2 Wärmeübertrager
- 4 Diskussion
- 5 Fazit
- 6 Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Diese wissenschaftliche Hausarbeit zielt darauf ab, konkrete Einsatzmöglichkeiten von refraktären Metall-Keramik-Verbindungen (Cermets) in der nachhaltigen Energieversorgung zu identifizieren und die daraus resultierende Verbesserung der Energieeffizienz zu erörtern. Insbesondere wird das Sonnenwärmekraftwerk als Anwendungsbeispiel gewählt, da die dort auftretenden hohen Temperaturen ein großes Potenzial für den Einsatz dieser Materialien bieten.
- Refraktäre Metall-Keramik-Verbindungen (Cermets)
- Nachhaltige Energieversorgung
- Sonnenwärmekraftwerke (Concentrated Solar Power, CSP)
- Materialoptimierung für Energieerzeuger
- Hochtemperaturbeschichtungen
- Wärmeübertrager in thermischen Kraftwerken
Auszug aus dem Buch
Einsatzmöglichkeiten in Sonnenwärmekraftwerken
Wie schon bei der Funktionsweise des Solarturmkraftwerks beschrieben, treten Verluste bereits bei der Absorption des Sonnenlichtes auf. Der Wirkungsgrad solch eines Kraftwerks kann vereinfacht beschrieben werden durch
η = α ((TE^4 - TU^4) / (nc * Tsonne^4)) * (1 - TU / TE)
mit dem Absorptionsgrad des Empfängers α, Emissionsgrad ε, Temperatur am Empfänger TE, Umgebungstemperatur TU, Temperatur auf der Sonnenoberfläche Tsonne und den Wirkungsgrad des Konzentrators nc, der die Sonnenstrahlen bündelt, bevor sie auf den Empfänger treffen [16].
Der erste Faktor ist der Wirkungsgrad des gesamten Empfängers, der zweite der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses. Im Wesentlichen hängt der Wirkungsgrad des Empfängers von dem Absorptionsgrad und dem Emissionsgrad ab. Man möchte demnach für die beste Effizienz einen möglichst hohen Absorptionsgrad und einen möglichst geringen Emissionsgrad erzielen. Um dies zu erreichen, werden Hochtemperaturbeschichtungen verwendet, die auf den Solarabsorber aufgetragen werden. Üblicherweise wird bei Solarturmkraftwerken als Standard die Farbe „Pyromark 2500“ verwendet. Diese bietet einen sehr effizienten Absorptionsgrad von 0,8 bis 0,96 je nach Einfallwinkel. Allerdings hat die Pyromark-Farbe bei 1000 °C einen Emissionsgrad von 0,9 [18]. Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Farbe bei solchen hohen Temperaturen schnell abgenutzt wird. Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe können diesen Nachteil als Beschichtungsmaterial verringern. Mit einer Bearbeitung bei 600 °C konnten beim Einsatz von einem Ni-Graphit-Cermet Werte von α = 0,95 und ε = 0,78 erreicht werden [18].
Als Fertigungstechnik wurde das Thermische Spritzen verwendet. Die Hitzebehandlung der Beschichtung begünstigt einerseits die Oxidbildung an der Oberfläche, andererseits eine Erhöhung der Schichtdicke. Es gab auch schlechtere Ergebnisse, beispielsweise bei der Verwendung von einem WC-Co-Verbund, bei dem die Werte deutlich schlechter lagen. Neben der starken Oxidbildung wurde bei Verbunden mit Wolfram eine Rissbildung im Inneren der Schicht festgestellt. Die Metall-Keramik-Beschichtungen wurden nicht auf andere Belastungen, wie die Reaktion auf große Temperaturänderungen oder Korrosionsbeständigkeit geprüft [18]. Die langfristige Stabilität dieser Beschichtungen im Vergleich zur Pyromark 2500 ist demnach nicht vollständig untersucht.
Bei der Formel für den Wirkungsgrad eines Sonnenturmkraftwerks (1) lässt sich beobachten, dass bei festgehaltenem Absorptionsgrad und Emissionsgrad die Effizienz bei steigender Temperatur am Empfänger TE ebenfalls ansteigt (bis zu einem errechneten Maximalwert von etwa 2480 K). Da eine Temperatur von über 1000 °C durch die Bündelung der Sonnenstrahlen allein nur schwer erreicht werden kann, wird dahinter üblicherweise für die Effizienzsteigerung ein Kanalbrenner eingesetzt, der die Prozesstemperatur weiter erhöht (Abb. 3). Der Wärmeübertrager verbindet das konzentrierende Kollektorfeld mit dem Dampfprozess und ist den hohen Temperaturen und großen Temperaturdifferenzen ausgesetzt. Typischerweise bestehen diese aus Superlegierungen auf Eisen- oder Nickelbasis [19].
Diese begrenzen die Temperatur, die der Wärmeübertrager an den Carnot-Prozess abgeben kann. Neue Entwicklungen zeigen, dass mit der Verwendung von überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO2) in dem Kreisprozess bei höheren Temperaturen höhere Wirkungsgrade in der Turbine erzielt werden können [20]. Um so eine neue Technologie in den CSPs implementieren zu können, bedarf es an temperaturbeständigeren Werkstoffen. Cermets finden genau dort ihre Anwendung. Es wurden Untersuchungen mit auf Zirconiumcarbid (ZrC)- und W-basierenden Wärmeübertragern durchgeführt, die Verbesserungen zeigen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung Forschungsthema: Dieses Kapitel erläutert die globale Relevanz der nachhaltigen und effizienten Energieversorgung angesichts des steigenden Primärenergieverbrauchs und der Erderwärmung und formuliert die Forschungsfrage bezüglich der Einsatzmöglichkeiten von Metall-Keramik-Verbindungen zur Effizienzsteigerung in Sonnenwärmekraftwerken.
2 Theoretische Grundlagen: Hier werden die fundamentalen Eigenschaften, Strukturen und Einteilungen von keramischen Materialien, Metallen (insbesondere Refraktärmetallen) und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen (Cermets) dargelegt, sowie die Funktionsweise und der Aufbau von Sonnenwärmekraftwerken erklärt.
3 Einsatzmöglichkeiten in Sonnenwärmekraftwerken: Dieses Kapitel konzentriert sich auf die praktischen Anwendungen von Metall-Keramik-Verbunden als Hochtemperaturbeschichtungen für Solarabsorber und als Materialien für Wärmeübertrager in Sonnenwärmekraftwerken, um deren Effizienz unter extremen Temperaturbedingungen zu verbessern.
4 Diskussion: Die Diskussion vergleicht die Vorteile und Limitationen von Cermets als Beschichtungen und in Wärmeübertragern, beleuchtet die Potenziale zur Effizienzsteigerung und spricht offene Fragen bezüglich der Langzeitstabilität und Wirtschaftlichkeit an.
5 Fazit: Das Fazit resümiert die erfolgreiche Identifizierung von Einsatzgebieten für Metall-Keramik-Verbunde in Sonnenwärmekraftwerken und betont deren Beitrag zu einer effizienteren nachhaltigen Energieversorgung, insbesondere im Bereich der Wärmeübertrager und durch die Verwendung von überkritischem Kohlenstoffdioxid.
6 Literaturverzeichnis: Dieses Kapitel listet alle wissenschaftlichen Quellen und Referenzen auf, die in der Arbeit zitiert wurden.
Schlüsselwörter
Refraktäre Metall-Keramik-Verbindungen, Cermets, Sonnenwärmekraftwerke, CSP, Nachhaltige Energieversorgung, Energieeffizienz, Materialoptimierung, Hochtemperaturbeschichtung, Wärmeübertrager, Keramische Werkstoffe, Metalle, Werkstoffkunde, Thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit, überkritisches Kohlenstoffdioxid
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Einsatzmöglichkeiten von refraktären Metall-Keramik-Verbindungen, sogenannten Cermets, zur Steigerung der Energieeffizienz in der nachhaltigen Energieversorgung, wobei Sonnenwärmekraftwerke als konkretes Anwendungsbeispiel dienen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themenfelder sind refraktäre Metall-Keramik-Verbindungen (Cermets), nachhaltige Energieversorgung, Sonnenwärmekraftwerke, Materialoptimierung und Energieeffizienz, sowie Hochtemperaturbeschichtungen und Wärmeübertrager.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, Einsatzmöglichkeiten von konkreten refraktären Metall-Keramik-Verbindungen in erneuerbaren Energien ausfindig zu machen und die Verbesserung der Energieeffizienz durch die Verwendung dieser Materialien zu erörtern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse und der Untersuchung bestehender Forschungsergebnisse bezüglich der Eigenschaften und Einsatzgebiete von Werkstoffen in Hochtemperaturanwendungen, insbesondere in Sonnenwärmekraftwerken.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretischen Grundlagen keramischer Materialien, Metalle und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe sowie die Funktionsweise und den Aufbau von Sonnenwärmekraftwerken. Darauf aufbauend werden konkrete Einsatzmöglichkeiten von Cermets als Hochtemperaturbeschichtungen und in Wärmeübertragern diskutiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Charakterisierende Schlüsselwörter sind unter anderem: Cermets, Sonnenwärmekraftwerke, Energieeffizienz, Materialoptimierung, Hochtemperaturbeschichtung, Wärmeübertrager und nachhaltige Energieversorgung.
Warum werden Sonnenwärmekraftwerke als Beispiel für erneuerbare Energien gewählt?
Sonnenwärmekraftwerke eignen sich besonders gut als Beispiel, da in ihnen hohe Temperaturen auftreten, die einen vielversprechenden Anwendungsbereich für refraktäre Metall-Keramik-Verbindungen zur Effizienzsteigerung bieten.
Welche Nachteile weisen Cermet-Beschichtungen im Vergleich zu herkömmlichen Materialien auf?
Obwohl Cermet-Beschichtungen Effizienzsteigerungen versprechen, sind die langfristige Stabilität und die wirtschaftliche Rentabilität im Vergleich zu traditionellen Materialien wie Pyromark 2500 noch nicht vollständig untersucht und könnten eine Hürde darstellen.
Wie können ZrC/W-Verbunde die Effizienz von Wärmeübertragern verbessern?
ZrC/W-Verbunde ermöglichen in Wärmeübertragern das Halten hoher zulässiger Spannungen auch bei Temperaturen über 1000 °C, was zu dünneren Bauteilen und deutlich höheren Leistungsdichten führt und somit das Effizienzpotenzial von Sonnenwärmekraftwerken steigert.
Was ist die Rolle von überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO2) in zukünftigen Sonnenwärmekraftwerken?
Die Verwendung von überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO2) in den Kreisprozessen zukünftiger Sonnenwärmekraftwerke ermöglicht höhere Betriebstemperaturen und damit höhere Wirkungsgrade in den Turbinen, was den Bedarf an temperaturbeständigeren Cermets als Werkstoffe verstärkt.
- Arbeit zitieren
- Leon Kunz (Autor:in), 2024, Einsatzmöglichkeiten refraktärer Metall-Keramik-Verbindungen in der nachhaltigen Energieversorgung am Beispiel des Sonnenwärmekraftwerks, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1669790
