蒸気復水器のコーティングにより 4 億 6,000 万トンを節約できる可能性がある

イリノイ大学グレンジャー工科大学

画像: F-DLC でコーティングされた銅製蒸気復水器パイプ (上) とコーティングなし (下)。 F-DLC コーティングにより、凝縮水がパイプを覆う薄い膜ではなく液滴に形成されます。もっと見る

クレジット: イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校グレンジャー工科大学

石炭と天然ガスの発電効率が 2% 向上すると、毎年、放出される二酸化炭素が 4 億 6,000 万トン減少し、水の使用量が 2 兆ガロン減少する可能性があります。 化石燃料発電で使用される蒸気サイクルに対する最近の技術革新により、これを達成できる可能性があります。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者らは、化石燃料の蒸気サイクル発電に使用される蒸気凝縮器用のフッ素化ダイヤモンドライクカーボン（F-DLC）で作られたコーティングを開発した。 研究者らは、このコーティングにより全体のプロセス効率が 2% 向上する可能性があると雑誌 Nature Communications に報告しました。 さらに、これまで報告された最長の耐久性テストを実施することにより、コーティングが産業用途に適していることを実証しました。

「現実には、化石燃料は少なくとも100年はなくならないのです」と、UIUCの機械科学・工学教授でプロジェクトリーダーのネナド・ミリコビッチ氏は言う。 「再生可能エネルギーに頼れる状況に到達するまでに、大量のCO2が排出されることになります。 当社の F-DLC コーティングが世界中で採用されれば、既存の電力インフラにおける炭素排出量と水の使用量が大幅に削減されるでしょう。」

化石燃料による発電は、蒸気サイクルと呼ばれるプロセスに依存しています。このプロセスでは、燃料が燃焼して水を沸騰させ、その結果生じる蒸気がタービンを回転させ、タービンが発電機を駆動します。 次に、蒸気は復水器に到達し、蒸気から水を回収し、蒸気が流れるようにタービン全体の圧力差を維持します。 凝縮器の熱伝達特性を改善すると、燃料の燃焼を減らしながら圧力差を維持できるようになります。

研究者の新しい F-DLC コーティングは、材料が疎水性であるため、熱伝達を改善します。 蒸気が凝縮して水になるとき、多くのきれいな金属やその酸化物に水が形成するように、表面を覆う薄い膜は形成されません。 代わりに、水が F-DLC 表面で液滴を形成し、蒸気が凝縮器と直接接触して熱が直接伝達されるようになります。 研究者らは、これにより熱伝達特性が 20 倍向上することを発見しました。これは、プロセス全体の 2% 向上に相当します。

「炭素、フルオレン、そして少量のシリコンを使用するだけの F-DLC でこれを達成できるのは注目に値します」と博士研究員であり、この研究の筆頭著者である Muhammad Hoque 氏は述べています。 「銅、青銅、アルミニウム、チタンなど、ほとんどすべての一般的な金属をコーティングできます。」

F-DLC の耐久性を実証するために、研究者らは、文献で報告されている最長のテストである 1,095 日間、コーティングされた金属を蒸気凝縮器条件にさらしました。 コーティングされた金属は、この期間ずっと疎水性を維持しました。 研究者らはまた、摩耗試験で5,000回の引っかき傷を負った後でも、コーティングされた金属が疎水性特性を維持していることを発見した。

研究チームは現在、UIUC のアボット発電所と協力して、工業条件下で 6 か月間安定して結露にさらされた場合のコーティングの性能を研究しています。

「すべてがうまくいけば、これが経済的に実現可能な効果的な解決策であることを皆さんに示したいと思っています」とミリコビッチ氏は語った。 「私たちは、私たちのソリューションが採用されることを望んでいます。なぜなら、再生可能エネルギーの開発は絶対に優先されるべきですが、私たちが現在持っているものを改善し続けることには依然として非常に価値があるからです。」

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研究者の論文「超弾性多層フッ素化ダイヤモンドライクカーボン疎水性表面」はオンラインで入手可能です。 DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6。