Como a liga 230 pode ser usada em sistemas de armazenamento térmico de sal fundido?

O desenvolvimento da energia nuclear e renovável anda de mãos dadas com os avanços nas superligas resistentes à deformação, capazes de funcionar em condições extremas.

Nesta série de artigos, vamos ver as soluções de energia renovável, as dificuldades de engenharia que essas tecnologias trazem e como algumas ligas enfrentam o desafio.

Sistemas de armazenamento térmico de sal fundido (MSES)

Os sistemas de armazenamento térmico são projetados para armazenar energia térmica para uma melhor gestão do fornecimento de calor e energia. Eles vêm em várias formas, desde simples tanques de água até tecnologias mais avançadas.

Os sistemas de armazenamento de energia de sal fundido (MSES) armazenam energia térmica na faixa média de 200 a 500 °C e apresentam alta potência de carga/descarga. São usados principalmente para complementar usinas de energia solar concentrada (CSP), que concentram grandes quantidades de energia térmica do sol para produzir eletricidade. Os sais fundidos capturam o calor gerado durante o dia e o liberam após o pôr do sol, permitindo a geração de eletricidade com baixas emissões durante os horários de pico de demanda.

Curiosidade

O termo «sal» no nome desta tecnologia não se refere ao tempero de mesa que conhecemos, mas sim ao «sal» no sentido de um composto químico. O sal comumente usado em dispositivos MSES é a mistura eutética de nitrato de potássio e nitrato de sódio (nitrato), conhecida como «sal solar».

Desafios para as ligas metálicas

Desafio: Os tubos receptores de calor devem a) suportar ciclos frequentes de aquecimento e arrefecimento numa mistura fundida de sais de nitrato e nitrito a 200–500 °C e b) ser resistentes à fadiga.

Corrosão: Os sais fundidos são um bom agente fundente, removendo eficazmente a incrustação de óxido da superfície do metal. A corrosão ocorre principalmente através da oxidação, seguida pela dissolução do metal no material fundido. A presença de vapor de água no sal acelera a corrosão. Os sais fundidos podem causar corrosão uniforme, corrosão por pite e corrosão intergranular. A mistura fundida de nitrato de sódio e nitrito de potássio corrói rapidamente o níquel puro, os aços carbono e os aços inoxidáveis de cromo-molibdénio.

Fadiga: Os tubos precisam suportar 30.000 ciclos de expansão e contração, correspondentes ao aquecimento e arrefecimento.

Solução: liga 230

Liga 230 é uma liga de níquel-cromo-tungsténio-molibdénio com excelente resistência a altas temperaturas e excelente resistência à corrosão em ambientes de azoto, tornando-a altamente eficaz em sistemas de armazenamento térmico de sal fundido.

Resistência a compostos de azoto: Resultados de absorção de azoto em um teste de 168 horas em amoníaco fluido a 650 °C (conforme relatado pela Haynes® International):

• Liga 230: 0,7 mg/cm³
• Liga 600: 0,8 mg/cm³
• Liga 625: 0,8 mg/cm³
• Liga X: 1,7 mg/cm³
• Liga 800H: 4,3 mg/cm³
• Liga 316 SS: 6,9 mg/cm³

Resistência à fadiga e estabilidade térmica: a liga 230® mantém alta ductilidade mesmo após exposição prolongada a altas temperaturas. Essa é uma vantagem importante dessa liga em relação à liga 625 e à liga X. Dados baseados na Haynes® International:

 

Depoimentos que comprovam o valor da liga 230® para armazenamento térmico de sal solar:

"Os tubos de liga de níquel, especialmente a liga 230, resistem eficazmente a cargas de fadiga e deformação. "

~ Bruce Kelly, Apresentação dos Receptores de Sal Nitrato, Solar Dynamics LLC

A maior resistência da liga Haynes® 230® permite usar espessuras de seção de projeto até 75% mais finas do que ligas menos resistentes, sem perder a capacidade de suportar cargas.
~ Haynes International

Outras ligas que vale a pena considerar

Ligas como Liga 625, Liga 600, e a liga X também são super resistentes à corrosão em ambientes com nitrato, mas não são tão resistentes à fadiga. Mesmo assim, são boas alternativas à liga 230®.