Naukowcy z amerykańskiej firmy technologicznej Halotechnics opracowali nowe typy materiałów, które pozwalają na zwiększenie pojemności cieplnej słonecznych elektrowni termalnych i co za tym idzie – wzrost ich wydajności.

Słoneczne elektrownie termalne korzystają z tzw. pól paneli czyli szeregu paneli - luster słonecznych koncentrujących energię w generatorze, który produkuje parę poruszającą turbinę wytwarzającą energię elektryczną. Zajmujące większy obszar i kosztujące nieco więcej niż klasyczne elektrownie słoneczne, słoneczne elektrownie termalne mają nad nimi tą przewagę iż są prostsze w obsłudze i łatwiej magazynować ciepło z nich uzyskiwane niż energię pozyskiwaną z paneli słonecznych w klasycznym rozwiązaniu ogniw fotowoltaicznych. Niektóre elektrownie termalne są wyposażone w system magazynowania i odzyskiwania ciepła, ułatwiający wytwarzanie pary, nawet jeśli Słońce nie operuje.

Nowe materiały, stworzone przez naukowców z Halotechnics, to mieszanina stopionych soli i nowego typu ciekłego szkła. Zostały one wytworzone po przeprowadzonej na superkomputerze dokładnej analizie 18.000 różnych związków chemicznych i ich mieszanin, ich wzajemnego oddziaływania i połączeń pomiędzy nimi. Pozwalają na operowanie w daleko wyższych nic dotąd temperaturach, co umożliwia wzrost wydajności oraz ułatwia zmniejszenie o 25 proc. liczby paneli słonecznych potrzebnych do uzyskania temperatury roboczej w elektrowni termalnej.

Niektóre z tych materiałów mogą przechowywać trzykrotnie więcej energii niż związki chemiczne i mieszaniny obecnie używane w tym celu; oznacza to także zmniejszenie kosztu kilowatogodziny, bowiem wydłuża okres pracy turbin generujących energię.

W obecnych systemach przechowywania energii w słonecznych elektrowniach termalnych, sole ogrzewane są do momentu przekroczenia punktu topienia - ich najwyższa temperatura robocza wynosi 565 st. C - i potem składowane w zaizolowanym cieplnie zbiorniku. Sole pompowane są potem przez wymiennik ciepła, gdzie generują parę wodną i przepompowywane do innego izolowanego zbiornika, aby uchronić je przed zestaleniem.

Pierwszy materiał wytworzony przez badaczy z Halotechnics jest przeznaczony dla obecnie działających słonecznych elektrowni termalnych. Działa on w tej samej temperaturze, jak związki stosowane w obecnych systemach do przechowywania ciepła, ale jest o 20 proc. od nich tańszy. Obecnie używane sole kosztują 1000 USD za tonę, a typowa elektrownia zużywa ich 30,000 ton. Zmniejszenie ceny oznacza redukcję kosztów idąca w miliony dolarów.

Pierwsze testy wykazały iż materiał zachowuje własności i nie degraduje się przez czas dłuższy niż obecnie stosowane sole; dalsze testy potrwają do lipca br, a po ich pomyślnym wyniku nowe sole wejdą do produkcji.

Dwa kolejne materiały to innego typu mieszanina szkła ciekłego i soli. Ich punkt topnienia znajduje się, podobnie jak dziś stosowanych soli, w okolicach 300 st. C., ale temperatura pracy wynosi 700 st. C, zamiast obecnych 565 st. C. Nowe materiały umożliwiają osiągnięcie wydajności turbin parowych, wytwarzających elektryczność, na poziomie 48 proc. zamiast obecnych 42 proc. Materiały są obecnie testowane w warunkach długotrwałego użycia w stalowych rurach i zbiornikach stosowanych w obecnych instalacjach. Łącznie okres testów potrwa 18 miesięcy.

Ostatni związek składa się głównie z wysokotemperaturowego ciekłego szkła. Jego punkt topnienia znajduje się w okolicach 400 st. C. (zwykłe szkło okienne topnieje w oko. 600 st. C, ale dość szybko ulega schłodzeniu), ale temperatura robocza wynosi 1200 st. C. Materiał ten jest najbardziej obiecujący, ponieważ może stanowić czynnik roboczy w długo opracowywanych turbinach dwustopniowych.

Pierwszy stopień to turbina na sprzężone gorące powietrze ogrzewane przez czynnik roboczy. Drugi stopień to konwencjonalna turbina parowa ogrzewana spalinami z pierwszego stopnia. Wydajność takiej turbiny dwustopniowej wynosi 52 proc. Można ją podwyższyć, poprzez prace nad obiegiem ciepła i układem wirnika tak, aby konkurowała z dwustopniowymi turbinami gazowymi. Te ostatnie turbiny mają wydajność 60 proc., ale gaz wytwarza wyższe temperatury niż 1200 st. C. przez co wymaga specjalnych materiałów, a ponadto w tego typu turbinie powstaje dużo dwutlenku węgla.

Prace z czynnikiem roboczym i tak będą wymagały zastosowania nowych materiałów w konstrukcji słonecznych elektrowni termalnych, stąd badacze z Halotechnics współpracują z Departamentem Energii USA w ramach SunShot Initiative. Program ten zmierza to stworzenia systemów energetycznych opartych na źródłach odnawialnych, o koszcie wytwarzania energii 6 centów za 1 kWh. Umożliwi to konkurowanie z systemami energetycznymi opartymi na paliwach kopalnych.