DE102013219498A1

DE102013219498A1 - Salzgemisch als Speichermedium für ein ölbasiertes solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102013219498A1
Application number: DE102013219498.6A
Authority: DE
Inventors: Santiago Eguiguren; Pascal Heilmann; Christian Müller-Elvers; Anne-Claire Schubert; Matthias Übler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2015043810A1; CL2016000691A1; EP3030625A1; MA38929A1; CN105593333A; MA38929B1; SA516370823B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Salzgemisch als Energiespeichermedium eines Wärmetauschers eines Solarkraftwerkes, beispielsweise bei Nacht oder Bewölkung. Das erfindungsgemäße Salzgemisch ersetzt herkömmliche Kalium- und Kalzium-Nitrat-Verbindungen in Salzgemischen durch ein Kalium-Kalzium-Doppelsalz mit Kalium: Kalzium im Verhältnis 1:5.

Description

Die Erfindung betrifft ein Salzgemisch als Energiespeichermedium eines Wärmetauschers eines Solarkraftwerkes beispielsweise bei Nacht oder Bewölkung.
Solartürme, Parabolrinnen und Fresnelspiegel sind bekannte Komponenten der Solarkraftwerks-Technologie. Mit dieser "grünen" Technologie soll zukünftig ein Teil der Energieversorgung abgedeckt werden. Dabei wird durch Wärmegewinnung aus Sonnenenergie Wasser verdampft und Dampfturbinen angetrieben, die Strom erzeugen. Zur Verdampfung des Wassers werden Wärmetauscher betrieben, in die mit Sonnenenergie erhitzte, organische Öle eingeleitet werden.
Nachteilig dabei ist, dass während der Nacht, bei Bewölkung oder während der Wartung der Anlagen keine Energie zur Erwärmung der als Wärmetransfermedium eingesetzten Öle zur Verfügung steht. Deshalb besteht der Bedarf an Energiespeichern, die überschüssige Wärmeenergie aus dem Solarkraftwerk aufnehmen und bei Bedarf, also beispielsweise nachts, in den Wärmetauscher einspeisen.
Aus der DE 10 2011 008 091.0 ist bereits ein Wärmetransfermedium für eine solarthermische Anlage bekannt. Dieses Salzgemenge umfasst Barium- und/oder Strontium-Nitrat in der Salzmischung. Die bekannten Salzgemenge zum Einsatz als Wärmetransfermedium in solarthermischen Kraftwerken zeichnen sich in der Regel durch besonders niedrige Schmelztemperaturen wie unter 150°C oder sogar noch niedrigere Temperaturen aus. Die besonders niedrig schmelzenden Salzgemische haben immer einen hohen Anteil an Kalium-Ionen, beispielsweise bis zu 54 mol% Kaliumionen in einem Kalzium-Natrium-Kalium-Nitrat Salzgemisch, wie es aus der EP 004976 bekannt ist.
Für ein Wärmespeichermedium ist der niedrige Schmelzpunkt eines Salzgemisches nicht so wichtig wie für ein Wärmetransfermedium, da die Eignung zum Speichern von Energie für den Einsatz im Wärmetauscher nicht vom Grad der Verflüssigung abhängt.
Es werden zwar bereits Salzgemische in den Wärmetauschern bei den bisher bekannten Solarkraftwerken mit Öl als Wärmetransfermedium eingesetzt, jedoch ist hier die Menge an Kaliumnitrat KNO₃ ein erheblicher Kostenfaktor. Es besteht daher der Bedarf, die Menge an Kaliumnitrat in für Wärmespeicherung geeigneten Salzgemischen bei vergleichbarer Wärmekapazität, dynamischer Viskosität und thermischer Stabilität zu vermindern.
Solarthermische Kraftwerke können mittels Solartürmen, Parabolrinnentechnik und/oder mittels Fresnelspiegel betrieben werden. Dabei eignen sich als Wärmetransfermedien organische Öle, insbesondere werden hier solche Kraftwerke betrachtet, in denen Öle eingesetzt werden, die einen Schmelzpunkt unter 30°C und eine maximale Betriebstemperatur im Bereich von 400°C bis 500°C haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Salzmischung anzugeben, die sich zur Energiespeicherung für ölbetriebene Solarkraftwerke eignet, dabei nicht zu teuer ist und einen Anteil an Kalium von unter 50 Mol% enthält.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöst, betreffend ein binäres, zwei Komponenten umfassendes Salzgemisch zur Energiespeicherung in solarthermischen Kraftwerksanlagen mit einem Schmelzbereich von 200°C bis 250°C mit Natriumnitrat NaNO₃ und dem Doppelsalz KNO₃·5Ca(NO₃)₂·xH₂O, wobei x eine beliebige ganze Zahl von 0 bis 10 annehmen kann. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung von dem Salzgemisch in einem mit Öl als Wärmetransfermedium betriebenen Solarkraftwerk.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Salzgemisch noch Kalziumnitrat in einer Menge von bis zu 30 Mol%.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt im Salzgemisch Natriumnitrat in einer Menge von 85 bis 97 Mol% vor.
Als Verunreinigung enthält das Salzgemisch beispielsweise herstellungsbedingt Ammonium Nitrat (NH4NO3) in Mengen bis zu 0,07 Gew%.
Ebenso kann das Salzgemisch herstellungsbedingt geringe Mengen an Chlorid, beispielsweise zwischen 0,06 und 0,04 Gew%. enthalten.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt im Salzgemisch das Doppelsalz in dehydrierter Form also mit x = 0 vor in einer Menge von 3 bis 15 Mol% vor.

Ja nach Bedarf kann im Salzgemisch das Doppelsalz mit verschiedenem Gehalt an Kristallwasser vorliegen, mit x = 0 bis x = 10, wobei bei x = 10 die Menge an Doppelsalz im Salzgemisch auf bis zu 45 bis 55 Gew% ansteigt. Dabei steigt mit dem Gehalt an Kristallwasser auch die prozentuale Menge an Doppelsalz in Gewichtsprozent im Salzgemisch an. Beispiele: Tab. 1

Salz Komponente	Referenzprobe SolarSalt	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
NaNO₃ [wt.-%]	60	46.21	47.21	48.19	50.20
KNO₃ [wt.-%]	40	0	0	0	0
KNO₃·5Ca(NO₃)₂·10H₂O [wt.-%]	0	53.79	52.80	51.81	49.80

Tabelle 1 zeigt eine Reihe von Salzgemischen nach der Erfindung und deren Zusammensetzung im Vergleich zu dem klassischen Solarsalz, das Natrium und Kalium im Verhältnis 6:4 umfasst. Diese Mischungen, ebenso wie die Referenzprobe, wurden hinsichtlich ihres Schmelzverhaltens untersucht, die Ergebnisse sind in 1 gezeigt.

Tabelle 2 zeigt die Abnahme des korrosionsverursachenden und daher unerwünschten Chlorid-Anteils in dem Salzgemisch durch den Einsatz des handelsüblichen Doppelsalzes. Tab. 2

Salt Component	Classical SolarSalt	Proposed Mixture
NaNO₃ [wt.-%]	60	50.2
KNO₃ [wt.-%]	40	0
KNO₃·5Ca(NO₃)2·10H₂O [wt.-%]	0	49.8
Chloride Content [wt.-%]	0.088	0.040
Difference to SolarSalt [%]	0	–55

Durch die vorliegende Erfindung werden wesentliche Nachteile des Standes der Technik bei Salzgemischen, die zur Energiespeicherung in Solarkraftwerken eingesetzt werden, überwunden. So können die Kosten durch den Einsatz eines mit wenigen Verunreinigungen erhältlichen Doppelsalzes Kalium-Calciumnitrat KNO₃·5Ca(NO₃)₂·10H₂O bei gleicher Eignung für die Energiespeicherung in Solarkraftwerken, die mit Öl als Wärmetransfermedium betrieben werden, deutlich verringert werden.
Die Erfindung betrifft ein Salzgemisch als Energiespeichermedium eines Wärmetauschers eines Solarkraftwerkes, beispielsweise bei Nacht oder Bewölkung. Das erfindungsgemäße Salzgemisch ersetzt herkömmliche Kalium- und Kalzium-Nitrat-Verbindungen in Salzgemischen durch ein Kalium-Kalzium-Doppelsalz mit Kalium: Kalzium im Verhältnis 1:5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011008091 [0004]
EP 004976 [0004]

Claims

Binäres, zwei Komponenten umfassendes Salzgemisch zur Energiespeicherung in solarthermischen Kraftwerksanlagen mit einem Schmelzbereich von 200°C bis 250°C, Natriumnitrat NaNO₃ und das Doppelsalz KNO₃·5Ca(NO₃)₂·xH₂O, wobei x eine beliebige ganze Zahl von 0 bis 10 annehmen kann, enthaltend.
Salzgemisch nach Anspruch 1, wobei das Doppelsalz KNO₃·5Ca(NO₃)₂·xH₂O, wobei x eine beliebige ganze Zahl von 0 bis 10 annehmen kann, in einer Menge von 3 bis 15 Mol% für x= 0 und 45 bis 55 Gew% für 11 > x > 9 sowie beliebigen Werten dazwischen, vorliegt.
Verwendung von dem Salzgemisch in einem mit Öl als Wärmetransfermedium betriebenen Solarkraftwerk als Energiespeichermedium im Wärmetauscher des Solarkraftwerks.