Molten MgCl2-KCl-NaCl for thermal energy storage: Kinetics study of salt purification using Mg

Abstract

Technologien zur CO2 neutralen Energieerzeugung sind von entscheidender Bedeutung, um das Ziel der EU zu erreichen, bis 2050 kohlenstoffneutral zu werden. Das Solarkraftwerk (CSP) mit thermischer Hochtemperatur-Energiespeicherung (TES) ist eine vielversprechende Möglichkeit kohlenstoffneutral Energie zu produzieren und zu speichern. Geschmolzene Chloridsalze (MgCl2-KCl-NaCl) sind vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von TES, da sie durch ihre thermische Stabilität, höhere Effizienz ermöglichen. Außerdem sind die Kosten geringer und die Verfügbarkeit besser als bei den derzeit eingesetzten Nitratsalzen. Die Betriebstemperatur der Chloridsalze ist deutlich höher (>700 °C) als bei Nitratsalzen (~560 °C). Die höhere Betriebstemperatur erhöht die Effizienz der Wärme-Strom-Umwandlung in CSP-Anlagen, was zu niedrigeren Stromgestehungskosten (LCOE) führt. Bei allen Vorteilen, die Chlorsalze bieten, müssen jedoch auch einige Probleme gelöst werden. Wegen der unvermeidlichen Feuchtigkeit im Salz entsteht beim Erhitzen, durch eine Hydrolyse Reaktion, die hochkorrosive Verbindung MgOHCl. Sie führt zu schwerer Korrosion an den metallischen Strukturen der Anlage (Fe-Cr-Ni-Legierung). In früheren Studien am DLR konnte die Korrosionsrate von rostfreiem Stahl mit flüssigem Mg als Inhibitor bei 700 °C von ~1752 µ·Jahr-1 auf ~15 µm·Jahr-1 gesenkt werden. In dieser Studien wurden jedoch die reaktionskinetischen Daten (z. B. Reaktionsgeschwindigkeit, Geschwindigkeitskonstante) zwischen Mg und MgOHCl nicht bestimmt. Deswegen wurde in dieser Arbeit eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um die Reaktionsgeschwindigkeit bei 470 °C, 500 °C. 530 °C, 550 °C und 606 °C zu ermittelt. Anhand der Reaktionsgeschwindigkeit wurde festgestellt, dass sich die Reaktion (Mg + 2MgOHCl) gut mit dem Modell der zweiten Ordnung beschreiben lässt. Die Geschwindigkeitskonstanten für jedes Experiment wurden berechnet. Anschließend konnte die Aktivierungsenergie dieser Reaktion, auf Grundlage der Geschwindigkeitskonstanten von verschiedenen Temperaturen, bestimmt werden. Auf der Grundlage der kinetischen Daten wurde schließlich ein Reinigungsreaktor im Kilogramm-Maßstab bei 550 °C entworfen.