MAX-Phasen- und SMART-Materialien für extreme Umgebungen in konzentrierten Solarenergiesystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Jesus Gonzalez-Julian
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540023994

Für die Energiewende besteht heute ein stetig wachsender Bedarf an fortschrittlichen Werkstoffen mit Eigenschaften, die über die von elementaren Verbindungen und herkömmlichen Werkstoffkonzepten hinausgehen. Die Nachfrage nach diesen neuen Materialien hat sich durch die aktuelle energetische und politische Situation stark beschleunigt. Deutschland und Europa - wie auch die Welt im Allgemeinen - streben nach nachhaltigen Energiesystemen mit dem Hauptziel, bis 2050 kohlenstoffneutral zu sein. Diese fortschrittlichen Werkstoffe sollten eine hohe thermische und chemische Stabilität, eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie hervorragende mechanische Eigenschaften wie Temperaturschock, Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweisen. Gleichzeitig sollten diese fortschrittlichen Werkstoffe nachhaltig sein und den Einsatz von Seltenen Erden und anderen giftigen/knappen Elementen vermeiden, die normalerweise in Hochtemperatur-Superlegierungen verwendet werden. Unter den verschiedenen nachhaltigen Energiesystemen ist die konzentrierte Solarenergie (Concentrated Solar Power, CSP) eines der wichtigsten erneuerbaren Energiesysteme für die Energiewende, aber einige Herausforderungen behindern ihre weltweite Verbreitung. Bei CSP-Systemen wird das von Hunderten bis Tausenden von Spiegeln reflektierte Sonnenlicht auf ein zentrales Element konzentriert - den Solarreceiver, der Temperaturen von 900°C und mehr erreichen kann. Die im Solarreceiver gesammelte Wärme wird zur Stromerzeugung übertragen. Die Wärme wird mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit (HTF) übertragen, bei der es sich in der Regel um ein geschmolzenes Salz (Nitratgemisch) handelt. Allerdings ist es bei hohen Temperaturen stark korrosiv, so dass die maximale Betriebstemperatur der Materialien auf etwa 600 °C begrenzt ist. Um die Effizienz von CSP-Systemen zu erhöhen, werden neue Materialien mit besserer Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit benötigt. Angesichts dieser Bedingungen ist die Zahl der potenziellen Kandidaten eher begrenzt, aber wir haben zwei Materialsysteme identifiziert, die unter extremen Bedingungen arbeiten können: MAX-Phasen und selbstpassivierende Metalllegierungen mit reduzierter thermischer Oxidation (SMART). Daher besteht das Hauptziel dieses Projekts darin, das realistische Potenzial von SMART- und MAX-Phasenmaterialien für CSP-Systeme zu bewerten. Die Zusammensetzungen Cr2AlC und W-17,8 Cr-6,4 Gew.-% als MAX-Phase bzw. Solar-SMART wurden ausgewählt, weil sie das beste Gleichgewicht zwischen chemischer Stabilität bei hohen Temperaturen und Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit bieten. Im Mittelpunkt des Projekts stehen die Synthese, die Verarbeitung, die mikrostrukturelle Charakterisierung und das Verständnis der Oxidations- und Korrosionsmechanismen unter ähnlichen Betriebsbedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Andrey Litnovsky