Niskoemisyjne elektrownie zasilane paliwami kopalnymi

Sprostanie wzrastającemu światowemu zapotrzebowaniu na zrównoważone metody produkcji energii jest jednym z głównych wyzwań XXI wieku. Zwiększanie użycia odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna, jest niezwykle istotne, lecz systemy takie nie mogą całkowicie zastąpić spalania paliw kopalnych ze względu na swą zmienną naturę.

Finansowani przez UE naukowcy pracujący w ramach projektu Z-ULTRA (Z phase strengthened steels for ultra-supercritical power plants) zaplanowali osiągnięcie tego poprzez zastosowanie wysokich temperatur dzięki stalom o ulepszonej odporności na zużycie. W szczególności skupiono się nad stworzeniem i kwalifikacją nowych, 12% stopów stali chromowej.

Stale z 9% zawartością chromu umożliwiały dawniej zwiększenie temperatury pary głównie z powodu osadzania cienkiej warstwy azotków. Natomiast zwiększenie zawartości chromu do 11-12% skutkowało szkodliwym osadzaniem termodynamicznie stabilnej fazy "Z" kosztem pożądanej cienkiej warstwy azotków.

Zamiast zapobiegania wzrostowi cząstek fazy "Z", badacze projektu Z-ULTRA planują wykorzystanie ich jako środka wzmacniającego. W tym celu muszą oni zidentyfikować skład chemiczny i metody obróbki cieplnej prowadzące do ich kontrolowanej nukleacji i zredukowanego stopnia rozrostu ziaren.

Zespół testuje obecnie trzy nowe składy stopów i metody obróbki cieplnej poprzez zestaw eksperymentów w nanoskali, stworzonych w ramach projektu. W dodatku kwantowo-mechaniczne analizy obliczeniowe (według teorii funkcjonału gęstości) pozwoliły ujawnić zoptymalizowane struktury i sekwencje ułożenia warstw stopów, które umożliwią nukleację fazy "Z". Prace teoretyczne są wspierane przez modelowanie termodynamiczne i kinetyczne, uzupełnione pomiarami eksperymentalnymi.

Wyprodukowano prototypy i poddawane są one próbom pełzania, korozyjnym i utleniania. Badacze planują dostarczyć odporną termicznie stal, która umożliwi ponad 50% efektywność termiczną elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, co stanowi 30% więcej niż obecny standard w większości istniejących elektrowni. Umożliwi to zatem redukcję emisji dwutlenku węgla, co będzie bezcenną korzyścią dla całej planety.