Fitnesstest für Solarthermie
Qualifizierungssystem für Extrembelastung durch Salzschmelzen bei Werkstoffen und Bauteilen.
Salzschmelzen eignen sich hervorragend, um in solarthermischen Kraftwerken Wärme zu speichern. Der Nachteil: Sie greifen die Komponenten des Energiekreislaufs an, was ihren breiten Einsatz behindert. Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat ein System für die Qualifizierung von Materialien und Komponenten im Kontakt mit Salzschmelzen entwickelt. Materialhersteller, Anlagenbauer und Betreiber von solarthermischen Kraftwerken sollen so zuverlässigere und langlebigere Bauteile entwickeln können.
Abb.: Oberflächenoxide eines Stahls nach 2000 Stunden in 565 Grad Celsius heißer Salzschmelze. Die Oxidschicht kann sowohl eine Schutzfunktion übernehmen, als auch unter Belastung leicht Risse bilden, die den Prozess der Spannungsrisskorrosion einleiten. (Bild: IWM)
Die zur Energiespeicherung eingesetzten sogenannten Solarsalze sind meist Mischungen aus Natrium- und Kaliumnitrat, die höhere Temperaturen als bisher genutzte Thermoöle ertragen können, nämlich bis zu 560 Grad Celsius. Damit erreichen solarthermische Kraftwerke höhere Wirkungsgrade. Auch die Kosten und die Wärmespeicherkapazität sprechen für die Salze. Die Crux ist allerdings die chemische Aggressivität der Salze in Kombination mit hohen Temperaturen und mechanischen Beanspruchungen. Darunter leiden Rohre, Ventile, Tanks, Pumpen und Wärmetauscher. Denn durch die dauerhafte Beanspruchung tritt neben dem reinen korrosionsbedingten Materialverlust auch Rissbildung und Risswachstum auf. Diese sogenannte Spannungsrisskorrosion kann zu Leckage bis hin zum kompletten Versagen von Kraftwerkskomponenten führen.
Auf Basis einer CERT-Prüfung (Constant Extension Rate Test) können Forscher am Fraunhofer IWM nun Werkstoffe im Kontakt mit dem Energiespeicher Salzschmelze gleichzeitig korrosiv, thermisch und mechanisch bewerten. Ergänzend finden Untersuchungen des Verschleißes durch strömende Salzschmelzen in einer Strömungskammer statt. „Das Neuartige an unserer Methode ist, dass wir die kompletten Belastungen, die eine Komponente aus dem Energiespeicher- beziehungsweise Wärmetransportsystem erfährt, kombiniert abbilden und bewerten können“, erklärt Elsa Piedra, Projektleiterin am Fraunhofer IWM.
So lassen sich neue Werkstoffe für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken einem Härtetest unterziehen. Ebenso sollen Experimente mit verschiedenen Salzen hinsichtlich ihrer Verträglichkeit mit der Anlage ablaufen. „Unsere Anlage ist so aufgebaut, dass wir Aufschlüsse zu den Mechanismen der Korrosion von Stahl im Kontakt mit Salzschmelzen bekommen. Insbesondere der Verlauf der gefährlichen Variante Spannungsrisskorrosion ist bis heute noch kaum untersucht, geschweige denn verstanden“, ergänzt Piedra. Ziel der Wissenschaftler am Fraunhofer IWM ist, mit geeigneten Werkstoffen dem vielversprechenden Energiespeicher Salz schließlich zum Durchbruch zu verhelfen.
FhG / PH
