Multistep Reactions of Molten Nitrate Salts and Gas Atmospheres

Kurzfassung

In dem weltweiten Bestreben, sich von fossilen Brennstoffen zu entfernen, wird die Implementierung langfristiger Energiespeicherung von entscheidender Bedeutung sein, um fluktuierende erneuerbare Energien in eine zuverlässige und regelbare Stromquelle umzuwandeln. Die Erfüllung dieser Anforderungen erfordert Technologien mit einem hohen Reifegrad, Kosteneffizienz und Skalierbarkeit. Die thermische Energiespeicherung auf Basis von geschmolzenem Nitratsalz kann als Schlüsseltechnologie angesehen werden, die all diese Anforderungen heute erfüllt. Eine Mischung aus NaNO3 und KNO3, kommerziell bekannt als Solarsalz, ist der Stand der Technik für sensible Wärmespeicher- und WärmeübertragungsMaterial, das derzeit in mehreren Solarthermie Kraftwerken auf der ganzen Welt eingesetzt wird. Aktuell wird das geschmolzene Salz auf eine Bulk-Temperatur von 565 °C erhitzt und zur Erzeugung von Dampf für die Stromerzeugung über herkömmliche Rankine-Kreisläufe verwendet. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen und den Technologietransfer auf moderne Rankine-Zyklen zu ermöglichen, muss die Salztemperatur auf über 600 °C erhöht werden. Eine Erhöhung der Temperatur des geschmolzenen Nitratsalzes ist nicht ohne weiteres möglich, da Zersetzungsreaktionen innerhalb des Nitratsalzes möglicherweise zur Bildung von korrosiven Oxidionen (O2-, O22-, O2-) und toxischen stickoxidhaltigen Gasen führen. Eine Stabilisierung des Nitratsalzes bei diesen Temperaturen ist erforderlich, was durch intelligente Gasmanagementtechniken erreicht werden kann. Während hohe Sauerstoffpartialdrücke den Salzabbau teilweise verringern können, bleiben die chemischen Reaktionen zwischen geschmolzenen Nitraten, Sauerstoff und/oder anderen reaktiven Gasen bei Temperaturen über 600 °C noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit werden chemische Gleichgewichtsreaktionen des Nitratsalzgemisches (Solarsalz) im Temperaturbereich von 500 bis 650 °C intensiv untersucht. Um die bei hohen Temperaturen induzierten physikalisch-chemischen Prozesse der Salzschmelze zu untersuchen, wurden eigens entwickelte Autoklavenprüfstände für thermodynamische Langzeitexperimente verwendet. Dies wurde erreicht, indem die Flüssiggasreaktionen zwischen dem geschmolzenen Salz und einer geeigneten Atmosphäre, angereichert mit O2 und NOx-Gasen, ausgenutzt wurden. Dabei wurden Regenerationsroute für gealtertes, korrosives geschmolzenes Solarsalz identifiziert. Umfangreiche Erkenntnisse über den Einfluss kongruenter Reaktionen (Korrosionsreaktionen und Oxidionenbildung) auf die Genauigkeit thermodynamischer Daten für Solarsalz wurden vorgestellt und experimentell nachgewiesen. Die Kinetik der Oxidionenbildung in Experimenten im 100-Gramm-Maßstab wurde untersucht und erwies sich als langsamer als bisher angenommen. Der Einfluss verschiedener Nitrose gase (N2O, NO, NO2) wurde experimentell untersucht und der dominante Reaktionsmechanismus identifiziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen Einblick in die Lebensdaueraspekte von kommerziell genutztem Solarsalz. DieVIII Kombination von Aspekten wie Gasmanagement und Kontrolle der Oxidionenverunreinigung könnte technisch die Erhöhung der Betriebstemperatur von Solarsalz über den Stand der Technik von 565 °C hinaus ermöglichen. Dies könnte den Temperaturunterschied des Speichers vergrößern, den Wirkungsgrad des Leistungsblocks erhöhen und eine Verkleinerung von leistungsbezogenen Komponenten aufgrund größerer Temperaturunterschiede ermöglichen. Zusammenfassend könnten innovative Verfahrensstrategien die Lebensdauer von Solar Salz erheblich verbessern und bieten ein großes Potenzial zur Reduzierung der Kapitalausgaben bei Wärmespeichertechnologien mit Solar Salz.