Recubrimientos protectores para plantas de concentración solar con almacenamiento térmico: síntesis, deposición y caracterización

Abstract

En el presente trabajo se demuestra el gran potencial de los recubrimientos sol-gel de ZrO₂ – 3%mol Y₂O₃ en las plantas de concentración solar actuales, apareciendo como solución a los graves problemas de corrosión en los tanques de almacenamiento térmico y las tuberías en contacto con sales fundidas. Para el estudio, estos recubrimientos se depositaron en primer lugar por inmersión sobre acero inoxidable AISI 304 y se optimizaron en base a la uniformidad en el espesor, empleando un novedoso método basado en medidas de impedancia eléctrica. Una vez optimizados, los recubrimientos se validaron en Sal Solar a 500 ºC, tras lo cual se seleccionaron las condiciones de deposición que mayor carácter protector aportaban al sistema. Estas condiciones se aplicaron posteriormente para recubrir el acero ferrítico-martensítico P91, de menor resistencia a la corrosión y mayor interés industrial por su bajo coste. El sistema fue ensayado en Sal Solar a 500 ºC durante mayores tiempos de exposición y se monitorizó el proceso de corrosión por espectroscopia de impedancia electroquímica. Los resultados probaron el gran carácter protector del recubrimiento, observándose una zona de difusión de unas 5 μm constituida por pares Zr-Fe, que reducen la difusión iónica y la velocidad de corrosión del sustrato (22 μm·año₋₁ vs 300 μm·año₋₁), mejorando a la aceptada en las actuales plantas termosolares (64 μm·año₋₁). Por último, los resultados de análisis de ciclo de vida demostraron que la sustitución de los aceros usados actualmente en planta por el sistema P91/ZrO₂-Y₂O₃ propuesto supone una gran reducción en el impacto medioambiental.

In the present work, the great potential of the ZrO₂ – 3%mol Y₂O₃ sol-gel coatings in the current concentrated solar power plants is demonstrated, appearing as solution to the outstanding corrosion problems in the thermal storage tanks and pipes in contact with molten salts. For the study, these coatings were firstly deposited by dip-coating into AISI 304 stainless steel and were optimized according to the thickness uniformity using a novel method based on electrical impedance measurements. Once optimized, the as-deposited coatings were tested in Solar Salt at 500 ºC, after which the conditions that provided the higher protective character to the system were selected. These conditions were then applied for coating P91 ferritic-martensitic steel, with a lower corrosion resistance compared to AISI 304 steel and higher industrial interest due to its low cost. The coated system was tested in contact with Solar Salt at 500 ºC with long-term exposure tests and the corrosion process was monitored by electrochemical impedance spectroscopy. Results proved the protective character of the coating, presenting a diffusion layer of about 5 μm consisting of Zr-Fe couples that reduce ionic diffusion and corrosion rate in the substrate (22 μm·año₋₁ vs 300 μm·año₋₁), thereby improving that accepted in the current thermosolar plants (64 μm·año₋₁). Finally, the results obtained by life cycle analysis demonstrated that the substitution of the currently used steels by the proposed P91/ZrO₂-Y₂O₃ system implies a large reduction in the environmental impact of the current concentrated solar power plants.