Die Wärmeübertragung von Natrium auf Magnesia wird im Lagertest getestet

Nov 08, 2023

Gepostet am 5. Dezember 202210. Dezember 2022AutorinSusan Kraemer

Prototyptest von Magnesiasteinen im Natriumlabor im Labormaßstab, finanziert von ASTRI. Bild@Entwicklung eines Prototyps eines Festbett-Wärmespeichers mit Natrium als Wärmeübertragungsflüssigkeit

Solarforscher testen thermische Energiespeicherung in gestapelten keramischen Magnesiasteinen – unter Verwendung eines flüssigen Metalls; Natrium als Wärmeträgerflüssigkeit. Die Magnesiasteine ​​werden in einem gepackten Bett in einem einzigen Lagertank gehalten; Daher enthält es das flüssige Natrium sowohl im heißen als auch im „gekühlten“ (150 °C) Zustand und nutzt dabei die Thermokline-Speicherung.

Die Verarbeitung von konzentrierter Solarthermie (CST) für die Schwerindustrie erfordert Hochtemperaturmaterialien. Sowohl flüssiges Natrium als auch Magnesia eignen sich gut für eine solche Hochtemperatur-Energiespeicherung.

Die Notwendigkeit, Energie zu speichern, ist nicht erst mit den heutigen erneuerbaren Energien zu einem Problem geworden. Gas wurde schon immer in riesigen unterirdischen Kavernen gespeichert. Öl wird in riesigen unterirdischen Tanks und nationalen Erdölreserven gelagert. Kohle wird vor Kraftwerken gestapelt oder wartet in Eisenbahnwaggons, die sich langsam über Kontinente bewegen.

Speicher werden für das Stromnetz benötigt. Bei CSP, der thermischen Form der Solarenergie, erfolgt die Speicherung thermisch; in heißer Salzschmelze. Diese übertragen Wärme und speichern sie ebenfalls bei etwa 560 °C. Bei dieser Art von Solarenergie wird ein Wärmekraftwerk verwendet, um Strom aus Dampf zu erzeugen, ähnlich wie in einem Kohle- oder Atomkraftwerk. Diese Dampfturbinenanlagen benötigen lediglich eine Temperatur von etwa 400 °C.

Jetzt ist die Speicherung noch wichtiger, da konzentrierte Solarthermie (CST) beginnt, die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Wärmebereitstellung für industrielle Prozesse zu ersetzen. Diese Prozesse müssen rund um die Uhr laufen, bei höheren Temperaturen ab 800 °C, Sommer wie Winter.

Um höhere Temperaturen zu erreichen, suchen CST-Forscher nach neuen Technologien, um Wärme zu übertragen und heiß zu halten. Eine Möglichkeit besteht darin, die Aufgabe auf zwei Materialien aufzuteilen. Eine Flüssigkeit, die am besten zur Übertragung hoher Temperaturen geeignet ist, kann ein festes Material erwärmen, das die Wärme am besten speichern kann.

Aus diesem Grund untersuchen Forscher im CST-Bereich Wärmeübertragungsflüssigkeiten und Wärmespeichermaterialien, die gut zusammenarbeiten und höhere Temperaturen erreichen können.

Ein Team der Australian National University (ANU) schlägt vor, eine neuartige Kombination zu testen. Ihr Artikel „Entwicklung eines Packed Bed Thermal Energy Storage Prototype with Sodium as the Heat Transfer Fluid“ und eine SolarPACES2022-Präsentation beschreiben ihre Arbeit.

Sie versuchen flüssiges Natrium als Wärmeübertragungsflüssigkeit und speichern die Wärme in Ziegeln aus kostengünstigem Magnesia in kommerzieller Qualität, das als Keramik Wärme besser absorbieren und speichern kann als die meisten Steine. Natrium hat einen Arbeitsbereich zwischen 100 °C und 800 °C, ist viel heißer und hat einen viel größeren Arbeitsbereich als geschmolzene Salze (290 °C bis 565 °C).

„Daher ist Natrium aufgrund seiner Hochtemperaturfähigkeit und seines großen Flüssigkeitsbereichs möglicherweise eine sehr interessante Flüssigkeit für Hochtemperatursysteme“, sagte Hauptautor Joe Coventry, außerordentlicher Professor an der ANU. „Und die Magnesiasteine ​​haben eine gute thermodynamische Stabilität im Kontakt mit Natrium bei 750 °C. Außerdem sind sie nur ein ganz normales kommerzielles Produkt, das als feuerfeste Auskleidung in der Stahlherstellung verwendet wird. Sie können sie in großen Mengen kaufen. Keine Sorge um die Versorgung.“

Nach ihrer Modellierung in FactSage wird die vielversprechende Keramik identifiziert; Magnesia baute das Team im Natriumlabor der Universität einen Prototyp im Labormaßstab. Hier wird die Genauigkeit von Simulationen der Leistung dieses Festbettsystems getestet.

Bei dieser Form der thermischen Energiespeicherung werden Steine, Kieselsteine ​​oder Sand, die sehr hohe Temperaturen speichern, in einen Behälter gepackt. Der Feststoff wird durch eine Wärmeträgerflüssigkeit – ein Gas oder eine Flüssigkeit – erhitzt. Gase wie Luft oder überkritisches CO2 können sehr hohe Temperaturen aufweisen.

Die Suche nach der besten Keramik für Festbetten mit flüssigen Metallen als Wärmeträgerflüssigkeit ist ein weiterer Schwerpunkt der Hochtemperaturforschung, beispielsweise am Flüssigmetalllabor des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter der Leitung von Klarissa Niedermeier.

„Das Team am KIT hat einige der frühen Arbeiten zur Modellierung der Festbettspeicherung mit Natrium durchgeführt“, bemerkte Coventry. „Ich glaube jedoch nicht, dass sie den Punkt erreicht haben, an dem sie eine bestimmte Keramik als mit Natrium kompatibles Festbettspeichermaterial identifiziert und getestet haben. Also haben wir das getan. Ich denke, wir sind die ersten, die einen Prototyp gebaut haben.“ mit einem geeigneten, kostengünstigen Massenspeichermaterial, das mit Natrium kompatibel ist und unserer Meinung nach für eine kommerzielle Anwendung geeignet sein könnte.“

Durch die Verwendung von Magnesia in Form von Ziegeln haben sie eine dicht gepackte Konfiguration vorgeschlagen, die sich für die Massenproduktion mit einem leicht verfügbaren Produkt eignet. Bei den meisten Festbettsystemen, die aus locker gefüllten Steinhaufen oder runden Kieselsteinen bestehen, besteht die Gefahr, dass die Materialien durch aufeinanderfolgende thermische Zyklen dazu neigen, nach außen zu drücken und die Behälterwände zu belasten.

„Wenn man einen Tank mit Steinen füllt, werden diese beim Erhitzen etwas größer“, erklärte er. „Und die Wände biegen sich ein wenig nach außen. Und wenn alles wieder abkühlt, fallen sie alle ein wenig nach unten, und wenn sie sich wieder erwärmen, drücken sie die Wände ein wenig weiter, ein Problem, das als „thermisches Ratschen“ bekannt ist. "

Durch das strukturierte Packen der Ziegel wird ein Ratschen verhindert, da die Ziegel weiterhin aneinander gestützt bleiben. ANU hat außerdem getestet, wie Magnesia 750 °C über einen Zeitraum von bis zu 500 Stunden ausgesetzt wird, und seine Stabilität bei hohen Temperaturen bestätigt. Es wurden weder Phasenwechsel noch Strukturschäden beobachtet.

Der Vorteil von Natrium bei hohen Temperaturen wurde schon vor langer Zeit erkannt. In fortgeschrittenen Nuklearanlagen verwendet ein natriumgekühlter schneller Reaktor flüssiges Metallnatrium als Kühlmittel. Doch nachdem in den Anfängen der Solarforschung ein Leck einen Brand im spanischen Freilufttestzentrum Plataforma Solar de Almería (PSA) verursachte, wurde diese Natriumforschung aufgegeben.

Mit dem jüngsten Anstieg des Interesses an Hochtemperatur-Solarprozessen geriet Natrium wieder in den Fokus der Forschung. In Australien verwendet Vast Solar in seinem in Port Augusta geplanten CSP Natrium als Wärmeträgerflüssigkeit anstelle von geschmolzenen Salzen. Diese modulare Anlage verfügt über Wärmeübertragungsflüssigkeit in mehreren Turmreceivern, die durch in Reihe geschaltete Solarfelder beheizt werden.

„Vast Solar ist am meisten an Natrium interessiert, weil es diese Modularität ermöglicht“, erklärte Coventry. „Natrium kann jeden ihrer Türme miteinander verbinden und die Wärme zurück zu einem zentralen Kraftwerksblock übertragen. Geschmolzenes Salz könnte auf diese Weise nicht mehrere Solarfelder durchqueren, weil es einfach zu leicht gefriert.“ (Geschmolzenes Salz ist in seinem Betriebsbereich zwischen 565 °C und 290 °C eine wässrige Flüssigkeit. Bei der niedrigeren Temperatur wird es jedoch fest und unbeweglich und „friert“ ein.)

Die Art und Weise, wie das Team das Brandrisiko von Natrium verringert (sowie die Kosten, die höher sind als bei einigen anderen Kandidaten), besteht darin, die verwendete Menge zu minimieren. In den meisten Festbettspeichersystemen kann der Steinhaufen große Lücken aufweisen, durch die die Wärmeträgerflüssigkeit fließen kann. Bei rechteckigen Steinen gibt es nur schmale Lücken zwischen den einzelnen Steinen. „Das Natrium fließt also durch die Lücken zwischen den Ziegeln, und auf diese Weise können wir davon ausgehen, dass deutlich weniger als 5 % des Gesamtvolumens aus Natrium bestehen“, erklärte Coventry.

Natrium ist relativ teuer. Es macht also auch Sinn, so wenig wie möglich zu verwenden. Aber wird eine so kleine Menge Wärmeträgerflüssigkeit ausreichend Wärme im Solarreceiver absorbieren und an die Wärmespeichermaterialien übertragen? Mit diesem Test wollen sie es herausfinden.

Thermokline Lagerung von Natrium-HTF mit Magnesia-Steinen, die räumliche Temperaturverteilung über die Zeit zeigt

Wie die Karlsruher Untersuchung der Hochtemperaturspeicherung von Flüssigmetallen mit anderen keramischen Materialien wird dieser Test in der Thermokline-Speicherung stattfinden; bei dem sowohl heißes als auch kaltes Wasser im selben Tank gespeichert wird. Unter Thermokline versteht man den Bereich mit gemischten Temperaturen, in dem eine warme Oberschicht auf eine kältere Unterschicht trifft. Bei der thermischen Speicherung muss es so klein wie möglich sein, was einiges an Technik erfordert. Ein Thermokline-System ist jedoch kostengünstiger als zwei Tanks, einen heißen und einen kalten, da in der Praxis immer einer davon leer ist, wodurch Kosten für Lagermaterial verschwendet werden.

„Wir arbeiten heutzutage viel mit HILTCRC zusammen, Australiens Initiative zur Umstellung auf eine kohlenstoffarme Schwerindustrie. Sie sind an recht hohen Temperaturen von bis zu 1200 °C interessiert“, fügte er hinzu.

„Wenn Sie Wärme benötigen, ist die Speicherung von Wärme in Dingen wie Packbetten viel billiger als die Speicherung von Strom und die anschließende Rückumwandlung in Wärme. Packbetten sind recht einfach zu bedienen und ich denke, das ist für die Industrie attraktiv. Also suchen wir eine Menge Arbeit bei der Bereitstellung von Wärme für unsere großen industriellen Prozesse zu leisten: Aluminiumoxidraffinierung, Zementherstellung, Wasserstoffreduktion oder Eisenerz und verschiedene damit verbundene Industrien; „

Mehr aus der australischen Solar-CST-Forschung und dem Programm Heavy Industry Low Carbon Transition (HILTCRC).

Hinzufügen von Wasserstoffverbrennung zu einem Solarreaktor für kohlenstofffreien Bergbau und MineralverarbeitungAustralische Forscher bewerten die kommerzielle Machbarkeit der solaren Aluminiumoxidkalzinierung

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KategorienCSP-Nachrichten und -Analysen