Stale nierdzewne w sektorze energetyki odnawialnej

Unia Europejska wspiera rozwój niskoemisyjnych źródeł energii. Technologie z tym związane w znaczącym stopniu opierają się na wykorzystaniu stali nierdzewnych – pisze Zbigniew Brytan, ekspert Stowarzyszenia Stal Nierdzewna.

 

Wprowadzenie systemu europejskich inicjatyw przemysłowych dla różnych źródeł energii odnawialnej ma na celu pobudzenie prac badawczych i rozwoju technologii niskoemisyjnych oraz ich testowanie i wprowadzanie na rynek.

 

Elektrownie wiatrowe, pływowe oraz wodne

Inicjatywa na rzecz energii wiatrowej zakłada, że energia z wiatru powinna stać się tańsza oraz być łatwiejsza do wprowadzania do sieci energetycznej. Celem inicjatywy jest sprawienie, aby w 2020 r. do 20 proc. energii elektrycznej w UE pochodziło z farm wiatrowych.

Energia odnawialna pozyskiwana z wiatru staje się coraz popularniejsza, o czym świadczy dynamiczny rozwój zarówno konstrukcji lądowych elektrowni wiatrowych, jak i farm morskich. W pierwszym przypadku stale nierdzewne stosowane są na elementy przekładni i elementy generatora, natomiast jeżeli chodzi o zastosowania morskie, ich użycie jest zdecydowanie większe.

Elektrownie wodne wykorzystujące zjawisko pływów wodnych (przypływ i odpływ wód mórz i oceanów), są także budowane z zastosowaniem stali nierdzewnych. Do budowy generatorów pływowych stosuje się głównie wytrzymałe, odporne na ścieranie i kawitację gatunki martenzytycznych stali nierdzewnych. Stale martenzytyczne

(17% Cr, 4% Ni, 1,5 % Mo oraz 0,1 % C), stosuje się na łopatki turbin, odlewy skorupowe oprzyrządowania kontrolnego łopatek turbin, elementy wylotu turbiny, wewnętrzne kołnierze rozdzielacza, łopatki kierujące. Austenityczne stale nierdzewne typu 1.4401, 1.4404 (AISI 316/316L) znajdują natomiast zastosowanie na zewnętrzne kołnierze rozdzielacza, obudowy instalacji wodnych, elementy wewnętrzne turbiny oraz łopatki generatorów pływowych.

W elektrowniach wodnych łopatki turbin elektrycznych wytwarza się często z martenzytycznego staliwa nierdzewnego typu 1.4313 (AISI 410NiMo /13% Cr, 4% Ni, 0,5% Mo, <0,05% C) lub 1.4418 (16%Cr, 5% Ni, 1.5% Mo). Kolejnym elementem ze stali nierdzewnej są bramy, śluzy w zaporach wodnych, wytwarzane z austenitycznych stali nierdzewnych 1.4307 i 1.4404 (AISI 304L/316L). Elementy przepustnic rolkowych bram wytwarza się także z bardzo wytrzymałej i twardej, umacnianej wydzieleniowo stali nierdzewnej typu 1.4542 (AISI 17-4PH/17% Cr, 4% Ni, 4% Cu).

 

Energia słoneczna

Europejska inicjatywa na rzecz energii słonecznej (Solar Europe) jako cel zakłada, że w 2020 r. do 15 proc. energii elektrycznej w UE pochodzić będzie z instalacji solarnych. Energia ta również powinna stać się tańsza oraz być łatwiejsza do wprowadzania do sieci energetycznej.

Energia słoneczna może być pozyskiwana na trzy sposoby. Pierwszym z nich jest zastosowanie niskotemperaturowych systemów grzewczych, które zwykle bazują na kolektorach płaskich do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. W takich instalacjach stal nierdzewna jest stosowana do budowy samego kolektora oraz współpracujących z nim instalacji rurowych. Na wybrane powierzchnie stali nierdzewnych nanosi się także specjalne powłoki o bardzo dobrej absorpcji promieniowania słonecznego, lecz nie emitują one zbyt dużo energii ponownie do systemu.

Systemy solarne ze zbiornikiem ciepłej wody szeroko stosują ferrytyczne stale nierdzewne chrakteryzujące się dobrą trwałością w warunkach pracy oraz niższą ceną od stali austenitycznych. Konstrukcje zbiorników, obecnie wytwarzane ze stali ferrytycznej 1.4521 (AISI 444, 18% Cr, 2% Mo), zastąpiły tradycyjnie stosowaną do tego celu stal 1.4404. Zbiornik wewnętrzny wytwarzany jest z gatunków: 1.4521, 1.4509 (w zależności od jakości wody), natomiast zbiornik zewnętrzny ze stali 1.4016, malowanej stali 1.4512, gatunków: 1.4510, 1.4509, 1.4521 (tereny nadbrzeżne). Z podanych gatunków wytwarza się również sam kolektor (włącznie z ramą i rurkami), system rur łączących, stojak.

Kolejna technologia stosuje systemy koncentrowania energii słonecznej. Lustra ze stali nierdzewnej pokrywające obszar kilkuset metrów kwadratowych powierzchni koncentrują promieniowanie słoneczne na odbiorniku, którego temperatura może osiągnąć 500°C. Ciepło promieniowania odbierane jest przez stopione sole rozprowadzane w instalacji obiegu wykonanej ze stali nierdzewnej. Zbiorniki ze stali nierdzewnych do składowania stopionych soli są również stosowane do magazynowania ciepła.

Trzecia technologia pozyskiwania energii słonecznej bazuje na panelach fotowoltaicznych bezpośrednio wytwarzających energię elektryczną, które mogą być wbudowane w system ramek montażowych ze stali nierdzewnej.

W ostatnich latach na popularności zyskują kompleksowe systemy zasilania zintegrowane architektoniczne z budynkiem. Systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budownictwem (building integrated photovoltaics, BIPV) montowane są na elewacjach budynków oraz dachach. Ramy instalacji paneli fotowoltaicznych wytwarza się ze stali austenitycznych Cr-Ni i Cr-Ni-Mo (1.4301, 1.4404) oraz ferrytycznej 1.4021. Zastosowanie stali nierdzewnej w tym przypadku prowadzi do redukcji kosztów instalacji oraz optymalnego wykorzystania przestrzeni i daje możliwość dowolnego wyboru aspektu wizualnego powierzchni.

 

Energia geotermalna

Energię z głębi ziemi można pozyskiwać na dwa sposoby. Pierwszy korzysta z zasobów hydrogeotermalnych, gdzie nośnikiem ciepła są wody podziemne (wydobywane przez odwierty). Kolejna metoda wykorzystuje zasoby petrogeotermalne, suche gorące skały lub wysady solne, gdzie energię odzyskuje się z ciepłej wody przepuszczonej przez nagrzane osady skalne.

Energia geotermalna pozyskiwana jest z ciepła skorupy ziemskiej. Źródła hydrogeotermalne niosą mieszaninę naturalnie mineralizowanej wody oraz pary wodnej o temperaturze od 200 do 325°C. Para i gorąca woda są czerpane z podziemnych źródeł występujących na głębokości do 4 km. Strumień wody i pary jest rozdzielany w elektrowniach geotermalnych i kolejno para sucha zasila system napędowy turbin wytwarzających prąd elektryczny.

Wody geotermalne są korozyjne o kwaśnym charakterze, często zawierają jony metaliczne, korozyjne chlorki i związki krzemianowe a także korozyjne gazy, takie jak dwutlenek węgla, dwutlenek siarki oraz siarkowodór. Materiały stosowane do budowy instalacji pozyskiwania i przetwarzania energii z wód geotermalnych wymagają stosowania materiałów odpornych na wymienione związki korozyjne i gorące gazy. Powyższe wymagania spełniają stale nierdzewne austenityczne typu 1.4307 (AISI 304L/18 %Cr, 8% Ni), 1.4404 (AISI 316L/17% Cr, 10% Ni, 2% Mo), 1.4845 (AISI 310S/22,5% Cr, 19% Ni,) oraz 1.4541 (AISI 321/17% Cr, 9% Ni).

Wymienione gatunki austenitycznych stali nierdzewnych Cr-Ni i Cr-Ni-Mo mogą jednak ulegać korozji w środowiskach o dużej agresywności, co powoduje naprężeniowe pękanie korozyjne – korozję naprężeniową. Dla gorących roztworów solanek, gdzie nie ma możliwości zastosowania inhibitorów korozji obniżających agresywność środowiska, aplikuje się bardziej wytrzymałe na korozję stale dwufazowe ferrytyczno-austenityczne typu duplex 1.4662 (AISI 2205, 22%Cr, 5% Ni, 3%Mo), 1.4410 (AISI 2507, 25% Cr, 7%Ni, 3,5% Mo), 1.4658 (AISI 2707, 27%Cr, 6,5%Ni, 4,8%Mo, 0,2% N, 1,0% Co) oraz wysokostopowe stale austenityczne 1.4539 (AISI 904L, 20%Cr, 25% NI, 4,3% Mo, 1,5% Cu), 1.4547 (UNS S31254, 20% Cr, 18% Ni, 6% Mo, 0,2% N)

W niektórych przypadkach stosuje się także stopy niklu o bardzo dobrej trwałości w warunkach gorących wód geotermalnych. W zależności od wymagań stosuje się stopy 2.4856 (Alloy 625/N06625), 2.4819 (C-276/N10276) oraz 2.4816 (Alloy 600/N06600), 2.4851 (Alloy 601/N06601), 2.4856 (Alloy 825/N06625).

Obecnie na świecie energię geotermalną do produkcji prądu wytwarza kilkaset instalacji znajdujących się w 24 krajach, a ich moc szacowana jest na ponad 10 000 MW. Największymi elektrowniami geotermalnymi na świecie są: Geyers w Kalifornii – 908 MW oraz Landarello we Włoszech – 420 MW.

 

Bioenergetyka

Inicjatywa na rzecz zrównoważonej bioenergii (Bio-energy Europe) dąży do umożliwienia zrównoważonej produkcji biopaliw na wielką skalę wraz ze skojarzoną z nią produkcją ciepła i energii z biomasy. Celem jest, aby w 2020 r. co najmniej 14 proc. energii elektrycznej w UE produkowano z bioenergii.

Produkcja biopaliw na skalę przemysłową odbywa się od dawna. W niektórych krajach samochody osobowe są do niej dostosowywane od 30 lat, tak jak ma to miejsce w Brazylii, która jest drugim na świecie producentem biopaliw, przede wszystkim etanolu, czyli spirytusu etylowego. W instalacjach produkcji biopaliw odporność korozyjną na występujące warunki procesu zapewniają austenityczne stale nierdzewne 1.4307, 1.4404 (AISI 304L/ /316L) oraz stale typu duplex 1.4462.

Stale nierdzewne znajdują także zastosowanie przy budowie elektrowni biomasy na zbiorniki, elementy pomp, zawory, mieszalniki. Spawane zbiorniki do przechowywania biomasy wytwarza się np. ze stali austenitycznych typu 1.4301, 1.4571 (AISI 304/316Ti).

 

Ogniwa paliwowe

Inicjatywa na rzecz ogniw paliwowych i technologii wodorowych ma na celu wspieranie rozwoju gotowych do wejścia na rynek ogniw paliwowych i technologii wodorowych. Wymusza to konieczność zwiększenia liczby projektów pokazowych o dużej skali oraz opracowanie zastosowań przenośnych, stacjonarnych i transportowych. Celem jest zbudowanie konkurencyjnego łańcucha ogniw paliwowych i infrastruktury na potrzeby technologii wodorowych do 2020 r. Rozwój w tym zakresie widać w ofercie producentów samochodów oferujących pojazdy wykorzystujące technologię wodorowych ogniw paliwowych. Zasięg pojazdu napędzanego wodorem jest obecnie zbliżony do tego, jaki mają klasyczne modele spalinowe – ok. 600 km dla seryjnego hyundaia ix35 Fuel Cell. W ostatnich latach postęp w tej dziedzinie był związany ze zredukowaniem rozmiaru ogniw paliwowych, które od 2000 r. zmniejszono o 20 proc. Od tego czasu postęp dokonał się również w zakresie ograniczenia zużycia wodoru o 15 proc.

Stale nierdzewne znajdują zastosowanie jako materiał elektrody w ogniwach paliwowych PEMFC (ogniwo paliwowe z elektrolitem polimerowym) i wytwarza się z nich płytki bipolarne ze stali 1.4401/1.4404.

 

Inicjatywa „Inteligentne miasta”.

Unia Europejska zamierza wspierać miasta, które chcą zredukować emisję gazów cieplarnianych w budynkach, energetyce i sektorze transportowym (do 2020 r. o 40 proc. w porównaniu z 1990 r.). Infrastruktura miejska od dawna korzysta ze stali nierdzewnych w elementach małej architektury. Stal nierdzewna znajduje również zastosowanie w instalacjach oświetleniowych zasilanych z niezależnych źródeł energii (paneli fotowoltaicznych, miniturbin wiatrowych i systemów hybrydowych). Takie rozwiązania są stosowane np. w autostradowych systemach oznakowania, ostrzegania, monitoringu. Kolejnym przykładem mogą być również latarnie miejskie z oświetleniem LED zasilanym z paneli fotowoltaicznych, których konstrukcje wytwarza się z gatunków typu 1.4301/1.4307, 1.4401/1.4404.

Autor jest pracownikiem Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechniki Śląskiej

 

Literatura

1. Geothermal Energy and the role of nickel, Nickel, The Magazine Devoted to Nickel and its Applications, vol. 30, No. 1, April, 2015

2. J. Węgrzyk, Elektrownie geotermalne – alternatywa w produkcji energii elektrycznej, Konferencja „Debata o przyszłości energetyki” maj 2010, http://www.plan-rozwoju.pcz.pl

3. Stainless Steel in Energy and Power Generation, Nickel, The Magazine Devoted to Nickel and its Applications, Special edition, May, 2012

4. Hydroelectric turbine blades, Nickel, The Magazine Devoted to Nickel and its Applications, vol. 22, No.1, Dec. 2006

5. Komunikat Unii Europejskiej, Technologie niskoemisyjne (SET-PLAN), z 16 listopada 2009 r.