Durch die Dampfkondensatorbeschichtung könnten 460 Millionen Tonnen eingespart werden

Grainger College of Engineering der Universität von Illinois

Bild: Dampfkondensatorrohre aus Kupfer, beschichtet mit F-DLC (oben) und ohne Beschichtung (unten). Durch die F-DLC-Beschichtung bildet sich das Kondenswasser zu Tröpfchen und nicht zu einem dünnen Film, der das Rohr bedeckt.mehr sehen

Bildnachweis: Das Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign

Wenn die Stromerzeugung aus Kohle und Erdgas um 2 % effizienter wäre, könnten jedes Jahr 460 Millionen Tonnen Kohlendioxid weniger freigesetzt und 2 Billionen Gallonen weniger Wasser verbraucht werden. Eine aktuelle Innovation des Dampfkreislaufs, der bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen verwendet wird, könnte dies erreichen.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben eine Beschichtung für Dampfkondensatoren entwickelt, die in der Dampferzeugung mit fossilen Brennstoffen verwendet werden und aus fluoriertem diamantähnlichem Kohlenstoff (F-DLC) bestehen. Die Forscher berichteten in der Fachzeitschrift Nature Communications, dass diese Beschichtung die Gesamtprozesseffizienz um 2 % steigern könnte. Darüber hinaus demonstrierten sie die Eignung der Beschichtung für den industriellen Einsatz, indem sie den längsten Haltbarkeitstest aller Zeiten durchführten.

„Die Realität ist, dass fossile Brennstoffe noch in mindestens 100 Jahren verschwinden werden“, sagte Nenad Miljkovic, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen an der UIUC und Projektleiter. „Es wird eine Menge CO2 ausgestoßen werden, bevor wir an einen Punkt gelangen, an dem wir uns auf erneuerbare Energien stützen können. Wenn unsere F-DLC-Beschichtung weltweit eingeführt würde, würde sie die CO2-Emissionen und den Wasserverbrauch der bestehenden Energieinfrastruktur deutlich reduzieren.“

Die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen hängt von einem Prozess namens Dampfkreislauf ab, bei dem Brennstoff verbrannt wird, um Wasser zum Sieden zu bringen, der entstehende Dampf eine Turbine antreibt und die Turbine einen elektrischen Generator antreibt. Der Dampf erreicht dann einen Kondensator, der sowohl Wasser aus dem Dampf zurückgewinnt als auch einen Druckunterschied über die Turbine hinweg aufrechterhält, sodass der Dampf strömen kann. Eine Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften der Kondensatoren würde es ermöglichen, einen Druckunterschied aufrechtzuerhalten und gleichzeitig weniger Kraftstoff zu verbrennen.

Die neue F-DLC-Beschichtung der Forscher verbessert die Wärmeübertragung, da das Material hydrophob ist. Wenn der Dampf zu Wasser kondensiert, bildet er keinen dünnen Film, der die Oberfläche bedeckt, wie dies bei Wasser bei vielen sauberen Metallen und ihren Oxiden der Fall ist. Stattdessen bildet das Wasser Tröpfchen auf der F-DLC-Oberfläche, wodurch der Dampf in direkten Kontakt mit dem Kondensator kommt und eine direkte Wärmeübertragung ermöglicht. Die Forscher fanden heraus, dass dadurch die Wärmeübertragungseigenschaften um den Faktor 20 verbessert wurden, was einer Gesamtprozesssteigerung von 2 % entspricht.

„Es ist bemerkenswert, dass wir dies mit F-DLC erreichen können, etwas, das nur Kohlenstoff, Fluoren und ein wenig Silizium verwendet“, sagte Muhammad Hoque, Postdoktorand und Hauptautor der Studie. „Und es kann so ziemlich jedes gängige Metall beschichten, einschließlich Kupfer, Bronze, Aluminium und Titan.“

Um die Haltbarkeit von F-DLC zu demonstrieren, setzten die Forscher beschichtete Metalle 1.095 Tage lang Dampfkondensatorbedingungen aus, dem längsten in der Literatur berichteten Test. Die beschichteten Metalle behielten über diesen gesamten Zeitraum ihre hydrophoben Eigenschaften. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die beschichteten Metalle ihre hydrophoben Eigenschaften nach 5.000 Kratzern in einem Abriebtest beibehielten.

Das Forschungsteam arbeitet nun mit dem Kraftwerk Abbott der UIUC zusammen, um die Leistung der Beschichtung bei sechsmonatiger Dauerkondensation unter industriellen Bedingungen zu untersuchen.

„Wenn alles gut geht, hoffen wir, allen zeigen zu können, dass dies eine wirksame und wirtschaftlich tragfähige Lösung ist“, sagte Miljkovic. „Wir möchten, dass unsere Lösung angenommen wird, denn obwohl die Entwicklung erneuerbarer Energien unbedingt Priorität haben sollte, lohnt es sich dennoch, das, was wir jetzt haben, weiter zu verbessern.“

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Der Artikel der Forscher, „Ultra-resilient multi-layer fluorinated Diamond-like Carbon Hydrophobic Surfaces“, ist online verfügbar. DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6.

F-DLC-beschichtete Metalle wurden von Oerlikon Balzers Coating bereitgestellt.

Auch Forscher der Sabanci-Universität trugen zu dieser Studie bei.

Die Finanzierung erfolgte durch das Office of Naval Research; die National Science Foundation über das Illinois Materials Research Science and Engineering Center; und das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie.

Naturkommunikation

10.1038/s41467-023-40229-6

Extrem belastbare, mehrschichtige hydrophobe Oberflächen aus fluoriertem, diamantähnlichem Kohlenstoff

14.08.2023

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