DE102021127566A1

DE102021127566A1 - Stabilisierung von Salzen in Hochtemperatur-Nitratsalzsystemen

Info

Publication number: DE102021127566A1
Application number: DE102021127566.0A
Authority: DE
Inventors: Freerk Klasing; Veronika Sötz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27
Also published as: EP4419850A1; US20240344740A1; WO2023067168A1; CN118103642A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von Nitratsalzschmelzen in thermischen Kraftwerken, insbesondere Solarkraftwerken umfassend:a) Bereitstellen einer Nitratsalzschmelze, wobei das Nitratsalz ausgewählt ist aus Alkalimetallnitraten, Erdalkalimetallnitraten und Mischungen von einem oder mehreren Alkalimetallnitraten und Erdalkalimetallnitraten, und transportieren der Nitratsalzschmelze in dafür vorgesehenen Leitungen,b) Einbringen eine Wärmemenge ΔQPatan einer definierten Position, wobei die Wärmemenge insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt wird, zu der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach Schritt b) ein Stabilisierungsgas zu der Nitratsalzschmelze zugeführt wird, wobei das Stabilisierungsgas Sauerstoff, wenigstens ein nitroses Gas und gegebenenfalls Stickstoff aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Stabilisierung von Nitratsalzschmelzen mittels eines Stabilisierungsgases, wobei das Stabilisierungsgas Sauerstoff, wenigstens ein nitroses Gas und gegebenenfalls Stickstoff aufweist.
Bei der solarthermischen Energieerzeugung werden Salzschmelzen zur Speicherung und zum Transport der aufgenommenen solaren Wärme eingesetzt. Stand der Technik ist die Verwendung von Nitratsalzschmelzen (Alkalimetall-nitrate, Erdalkalimetallnitrate, und Mischungen von Alkalimetallnitraten und Erdalkalimetallnitrate) in entsprechenden Hochtemperatursystemen zur Wärmeübertragung und/oder zur Wärmespeicherung. Das Nitratsalz bzw. die Nitratsalzmischung werden bei Temperaturen oberhalb des jeweiligen Schmelzpunkts eingesetzt, um deren Fließfähigkeit zu erhalten. Die Salzschmelze wird durch solare Wärmezufuhr erhitzt und enthält dann thermische Energie, die mit der Salzschmelze an andere Stellen des Systems (des solarthermischen Kraftwerks) transportiert und dort genutzt und/oder gespeichert wird. Nach dem Stand der Technik wird das Salz bis zu einer Maximaltemperatur (thermisches Stabilitätslimit) erhitzt, die für das jeweilige Salz bzw. die jeweilige Salzmischung individuell ist. Für eine Mischung aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat beträgt sie beispielsweise 565 °C. Grund dafür ist vor allem die thermische Zersetzung der Salzschmelze bei höheren Temperaturen, wodurch sich Materialeigenschaften nachteilig verändern und umweltkritische Gase entstehen.
Die Verwendung von Nitratsalzschmelzen im Hochtemperaturbereich wird im Folgenden konkret am Beispiel von Solarturmkraftwerken mit Flüssigsalzenergiespeichern beschrieben. Diese Kraftwerkstechnologie mit integrierten Energiespeichern wird seit einigen Jahren im 100 MW-Maßstab kommerziell betrieben. In Solarturmkraftwerken wird üblicherweise eine Salzschmelze bestehend aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und Gew.-% Kaliumnitrat durch konzentrierte Solarstrahlung auf etwa 565 °C erhitzt. Das erhitzte Salz fließt dann in einen isolierten Tank zur Zwischenspeicherung. Heiße Salzschmelze aus dem Speichertank fließt wiederum in eine Stromerzeugungskomponente, wo die in der Salzschmelze enthaltene thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Integration der Speichereinheit ermöglicht die Stromproduktion auch nachts und bei Bewölkung.
Eine effektivere Nutzung der Solarenergie wäre durch eine Erhöhung der Temperatur möglich. Dies ist jedoch mit den üblichen Materialsystemen und Betriebsbedingungen nicht möglich. Grund dafür sind Zersetzungsprozesse und Materialinstabilität der Nitratsalzschmelzen, die sich mit steigenden Temperaturen beschleunigen und intensivieren. Bei Temperaturen über dem thermischen Stabilitätslimit ist die Bildung toxischer Gase und korrosiver Ionen und Verbindungen zu erwarten. Letztendlich ist dadurch eine verkürzte Speicherlebensdauer sowie die Notwendigkeit, zusätzliche Sicherheitskomponenten zu installieren, zu erwarten. Beides wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Nitratsalzsysteme und damit der Solarkraftwerke insgesamt aus.
Es besteht somit Bedarf an einer Stabilisierung der Nitratsalzschmelzen, so dass die Bildung korrosiver oder toxischer Verbindung möglichst unterbunden oder zumindest deutlich reduziert wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die thermische Stabilität von Nitratsalzschmelzen durch Stabilisierungsgase ermöglicht werden kann. Stabilisierungsgase ermöglichen das Arbeiten mit bekannten Nitratsalzschmelzen bei gegenüber den derzeit üblichen Temperaturen erhöhten Temperaturen, ohne dass die Lebensdauer der Kraftwerke, insbesondere Solarkraftwerke, auf Grund erhöhter Korrosivität der Salzschmelzen reduziert wird. In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Stabilisierung von Nitratsalzschmelzen in thermischen Kraftwerken, insbesondere Solarkraftwerken, umfassend:

a) Bereitstellen einer Nitratsalzschmelze, wobei das Nitratsalz ausgewählt ist aus Alkalimetallnitraten, Erdalkalimetallnitraten und Mischungen von einem oder mehreren Alkalimetallnitraten und Erdalkalimetallnitraten, und transportieren der Nitratsalzschmelze in dafür vorgesehenen Leitungen,
b) Einbringen eine Wärmemenge ΔQ_Pat an einer definierten Position, wobei die Wärmemenge insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt wird, zu der Schmelze,

Die Nitratsalzschmelze wird erfindungsgemäß in Leitungen in einem Kraftwerk, insbesondere Solarkraftwerk, zur Verfügung gestellt und dient dort der Aufnahme und dem Transport sowie ggf. der Speicherung der Wärme, welche beispielsweise von der Sonne direkt oder indirekt auf die Schmelze übertragen wird. Die Salzschmelze (Nitratsalzschmelze, Schmelze) wird in Leitungen transportiert und gegebenenfalls in Tanks gespeichert. Durch Zufuhr einer Wärmemenge wird die Schmelze weiter erwärmt - auch über das thermische Stabilitätslimit der Schmelze hinaus. Thermisches Stabilitätslimit ist dabei die Temperatur oberhalb derer sich die Salzschmelze bei den aktuell üblichen Betriebsbedingungen zersetzt. Das thermische Stabilitätslimit von Solarsalz liegt beispielsweise bei 565 °C.
Üblicherweise wird die Wärmemenge lokal an einer definierten Position zugeführt. Hierdurch kann es lokal an dieser Stelle zur Zersetzung der Salzschmelze kommen, wodurch das Verfahren im Kraftwerk insgesamt beeinflusst wird, da Zersetzungsprodukte entstehen und die Schmelze nicht mehr im vollen Umfang zum Transport bzw. Speicherung der Wärme zur Verfügung steht. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch Zuführen eines Stabilisierungsgases die thermische Stabilität von Nitratsalzschmelzen bei jeglichen Temperaturen und insbesondere auch bei Temperaturen überhalb der vorgesehenen Maximaltemperaturen (thermisches Stabilitätslimit) der jeweiligen Nitratsalze verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung folgende Bestandteile umfasst:

a) eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme thermischer Energie, insbesondere durch Solarstrahlung,
b) eine erste Speichereinheit (Heißspeicher), in der eine Nitratsalzschmelze gespeichert werden kann, nachdem sie thermische Energie aus der Aufnahmeeinheit aufgenommen hat,
c) einen Verbraucher, in welchem die thermische Energie aus der Nitratsalzschmelze in elektrische Energie umgewandelt wird,
d) eine zweite Speichereinheit (Kaltspeicher), in der die Nitratsalzschmelze gespeichert werden kann, nachdem die thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wurde, und
d) Leitungen, in denen eine Nitratsalzschmelze im Kreis geführt wird,

e) eine erste Teilkomponente aufweist, in der ein Stabilisierungsgas zu der Nitratsalzschmelze zugeführt wird und
f) eine zweite Teilkomponente aufweist, in der das Stabilisierungsgas aus der Nitratsalzschmelze zumindest teilweise zurückgewonnen wird,

Die Vorrichtung ist insbesondere ein solarthermisches Kraftwerk, in welchem die Nitratsalzschmelze zur Aufnahme, Speicherung und/oder zum Transport von Wärme verwendet wird. Soweit die Anordnung einzelner Komponenten in Bezug auf eine andere Komponente mit „vor“ oder „nach“ beschrieben ist, so ist dies im Sinne der Fließrichtung der Nitratsalzschmelze im Kraftwerk zu verstehen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sowie der Vorrichtung weiter beschrieben, wobei alle Merkmale in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden können und, soweit relevant, sowohl für das Verfahren als auch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein Stabilisierungsgas zu einer Nitratsalzschmelze zugeführt wird. Nitratsalzschmelze im Sinn der vorliegenden Erfindung ist eine Schmelze eines oder mehrerer Alkalimetall-Nitrate und/oder Erdalkalimetall-Nitrate oder Mischungen von einem oder mehreren Alkalimetall-Nitraten und Erdalkalimetall-Nitraten. Nitratsalz im Sinne der vorliegenden Erfindung kann somit ein Alkalimetallnitrat sein. Es kann sich dabei auch um eine Mischung aus 2, 3 oder mehr Alkalimetall-Nitraten handeln. Gleiches gilt für die Erdalkalimetall-Nitrate. Ein Nitratsalz kann erfindungsgemäß auch 2, 3 oder mehr Erdalkalimetall-Nitrate umfassen. Ebenso ist von einem Nitratsalz die Rede, wenn Mischungen von einem oder mehreren Alkalimetall-Nitraten mit einem oder mehreren Erdalkalimetall-Nitraten vorliegen. Beispielsweise kann es sich bei der Nitratsalzschmelze um eine Schmelze von Solarsalz handeln, einer Mischung aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.- % Kaliumnitrat.
Abhängig von der genauen Zusammensetzung des Nitratsalzes weist dieses eine bestimmte Schmelztemperatur auf, überhalb derer das Nitratsalz bei Umgebungsdruck flüssig ist. Ist diese Schmelztemperatur überschritten, ist das Nitratsalz flüssig und liegt als Schmelze vor. In dieser Form kann es in einem thermischen Kraftwerk, insbesondere Solarkraftwerk, transportiert und in den dafür vorgesehenen Leitungen gepumpt werden.
Die Nitratsalzschmelze wird erfindungsgemäß in einer ersten Teilkomponente eines Kraftwerks mit einem Stabilisierungsgas beaufschlagt. Bei dem Stabilisierungsgas handelt es sich um eine Gasmischung, die insbesondere Sauerstoff, wenigstens ein nitroses Gas und gegebenenfalls Stickstoff ausweist. Besonders bevorzugt besteht das Stabilisierungsgas aus Sauerstoff, wenigstens einem nitrosen Gas und Stickstoff, insbesondere bevorzugt besteht das Stabilisierungsgas aus Sauerstoff und wenigstens einem nitrosen Gas. Nitrose Gase im Sinne der vorliegenden Erfindung sind NO, NO₂ und N₂O, insbesondere NO und NO₂.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Stabilisierungsgas dafür sorgt, dass die Nitratsalzschmelze thermisch stabil bleibt. Üblicherweise erfolgt eine Zersetzung der Nitratsalzschmelze nicht nur bei Temperaturen überhalb des thermischen Stabilitätslimits, sondern auch darunter. Durch Zugabe der Stabilisierungsgase wird nun ermöglicht, dass sich die Nitratsalzschmelze nicht zersetzt. Dies ermöglicht einen effektiveren und längeren Betrieb eines thermischen Kraftwerks.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass das Stabilisierungsgas zumindest teilweise aus der Nitratsalzschmelze selbst abgeschieden wird. Die thermische Zersetzung der Nitratsalzschmelze führt dazu, dass insbesondere nitrose Gase entstehen, welche einerseits toxisch sind und andererseits zu einer Korrosion der Bauteile eines Kraftwerks führen können. Diese werden erfindungsgemäß nun im Bereich der sogenannten zweiten Teilkomponente abgeschieden. Eine entsprechende Abscheidung kann aufgrund der Schwerkraft erfolgen, sodass eine automatische Trennung zwischen flüssiger Nitratsalzschmelze und den sich bildenden Gasen erfolgt. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass die zweite Teilkomponente eine Vorrichtung zur Gasabscheidung aufweist, wie insbesondere einen Zyklon.
Erfindungsgemäß werden insbesondere Sauerstoff und nitrose Gase, also das Stabilisierungsgas verwendet, um das Nitratsalz zu stabilisieren. Durch Zuführung des Stabilisierungsgases wird das Nitratsalz regeneriert. Bei der Zersetzung beispielsweise von Solarsalz, einer Mischung aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat, welche aus 60 Gew.-%Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat besteht, gibt es ein Gleichgewicht zwischen Nitrat- und entstehenden Nitrit-Salzen und es erfolgt ein Zerfall mit Oxidbildung, wobei die entstehenden Oxide korrosiv sind, um nur einige Beispiele zu nennen. Um diese Reaktionen rückgängig zu machen bzw. zu verhindern, wird das Stabilitätsgas zugeführt und geht eine Reaktion mit der Nitratsalzschmelze ein. Dabei liegt der Verbrauch an Sauerstoff dabei üblicherweise bei bis zu 80 g Sauerstoff pro Kilogramm Solarsalz. Der Verbrauch an nitrosen Gasen liegt bei bis zu 40 g NO_x pro Kilogramm Solarsalz.
Solarsalz wird bevorzugt als Nitratsalz bzw. in Form der entsprechenden Schmelze im Sinne der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich und erfindungsgemäß umfasst, dass andere Nitratsalze bzw. Salzmischungen, wie weiter oben definiert, verwendet werden. Auch bei anderen Nitratsalzen werden Sauerstoff und nitrose Gase, gegebenenfalls auch Stickstoff zur Regeneration verbraucht. Das Stabilisierungsgas weist daher erfindungsgemäß bevorzugt keine weiteren Bestandteile auf, die mit dem Nitratsalz reagieren könnten.
Das Stabilisierungsgas weist vorzugsweise mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 50 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 80 Vol.-% Sauerstoff (O₂) auf. Der Anteil an nitrosen Gasen beträgt wenigstens 500 ppm, bevorzugt mindestens 5000 ppm, besonders bevorzugt mindestens 30.000 ppm, bezogen auf das Gesamtvolumen des Stabilisierungsgases.
Das Stabilisierungsgas kann weiterhin Stickstoff enthalten, soweit dies notwendig ist.
Der Druck, mit dem das Stabilisierungsgas der Nitratsalzschmelze zugeführt wird, beträgt vorzugsweise 1 bar oder mehr, bevorzugt 2 bar oder mehr, besonders bevorzugt 5 bar oder mehr. Der Druck sollte 10 bar nicht überschreiten, da bei höheren Drücken die Materialbelastung des Kraftwerks lokal sehr hoch wird. Der Druck muss zumindest 1 bar betragen, damit keine Umgebungsluft in das System eindringt und kein Unterdruck entsteht, der ggf. Komponenten schädigen könnte.
Das Stabilisierungsgas kann vorzugsweise zumindest teilweise aus der Nitratsalzschmelze abgeschieden werden. Dies erfolgt, wie bereits ausgeführt, an einer zweiten Teilkomponente. Je nach Temperatur im Solarkraftwerk ist es ausreichend, das aus der Nitratsalzschmelze gewonnene Stabilisierungsgas an einer anderen Stelle des Kraftwerks, nämlich in der ersten Teilkomponente, der Nitratsalzschmelze wieder zuzuführen. In einer solchen Ausführungsform wird das Stabilisierungsgas vollständig aus der Nitratsalzschmelze gewonnen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, dass das Stabilisierungsgas nur teilweise aus der Nitratsalzschmelze gewonnen wird. In dieser Ausführungsform wird das aus der Nitratsalzschmelze gewonnene Stabilisierungsgas mit weiterem Gas/Gasgemisch aus einer externen Quelle versehen. In dieser Ausführungsform werden beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff bereitgestellt und mit der aus der Nitratsalzschmelze gewonnenen Gasmischung vermischt, sodass hieraus ein erfindungsgemäßes Stabilisierungsgas erhalten wird, welches dann der Nitratsalzschmelze im Bereich der ersten Teilkomponente zugeführt wird.
Das Stabilisierungsgas kann somit teilweise mithilfe einer externen Quelle bereitgestellt werden. Dabei kann das Stabilisierungsgas als Ganzes, also sowohl Sauerstoff als auch gegebenenfalls Stickstoff als auch nitrose Gase bereitgestellt werden und diese dann in Form einer geeigneten Mischung der Nitratsalzschmelze zugeführt werden.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, dass das Stabilisierungsgas zumindest teilweise aus der Nitratsalzschmelze abgeschieden wird. Es erfolgt dann eine Anreicherung mit den benötigten Gasen, sodass ein Stabilisierungsgas mit der benötigten Mischung erhalten wird. Diese Mischung an Stabilisierungsgas wird dann der Nitratsalzschmelze zugeführt.
Die Beaufschlagung der Nitratsalzschmelze mit Stabilisierungsgas kann vor oder nach dem Wärmeeintrag in die Salzschmelze erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Beaufschlagung mit Stabilisierungsgas vor dem Wärmeeintrag in die Salzschmelze. Dies verringert die nachfolgende thermische Zersetzung. Erfolgt die Beaufschlagung mit Stabilisierungsgas nach dem Wärmeeintrag, wird hierdurch eine teilweise, gegebenenfalls sogar vollständige, Regeneration von zersetzen Nitratsalz bewirkt.
Die Aufnahme des Stabilisierungsgases in die Salzschmelze kann durch eine Erhöhung der Flüssig-Gas-Grenzfläche beispielsweise durch Eindüsen des Stabilisierungsgases in die Nitratsalzschmelze oder durch turbulentes Durchmischen in der ersten Teilkomponente beschleunigt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird damit in der ersten Teilkomponente eine Gasmischung zur Salzstabilisierung lokal in die Nitratsalzschmelze zurückgeführt. Dies ermöglicht eine effektive Nutzung des Stabilisierungsgases an den Stellen des Reaktors, an denen eine thermische Zersetzung der Nitratsalzschmelze üblicherweise auftritt, sodass effektiv die Zersetzung der Nitratsalzschmelze unterbunden wird.
Im Bereich der zweiten Teilkomponente wird das Stabilisierungsgas entnommen. Sie dient somit der Abscheidung des Stabilisierungsgases aus dem Zweiphasensystem bestehend aus der flüssigen Nitratsalzschmelze mit gelösten Gasen und der Gasatmosphäre. Besonders bevorzugt ist es, wenn die zweite Teilkomponente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart angeordnet ist, dass nachfolgend keine ausgeprägten Fluidbewegungen mehr erfolgen. Besonders bevorzugt ist es weiterhin, dass die Abscheidung des Stabilisierungsgases derart erfolgt, dass keine ausgeprägte Fluidbewegung der Nitratsalzschmelze erfolgt, sodass gelöste Gase in der Salzschmelze verbleiben und nicht abgeschieden werden.
Die zweite Teilkomponente ermöglicht somit eine Entnahme und Rückführung des Stabilisierungsgases hin zu der ersten Teilkomponente, sodass bevorzugt kein oder gegebenenfalls nur ein geringer Bedarf an von extern zugeführten Gasen besteht. Zudem wird die Ausbildung von Abgasen deutlich verringert. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden in der zweiten Teilkomponente die in der Nitratsalzschmelze gebildeten Gase gezielt entnommen und zum Zwecke der Stabilisierung im gleichen System wiederverwendet.
Grundsätzlich sind zwei unterschiedliche Arten der Verfahrensführung und damit auch zwei Vorrichtungen erfindungsgemäß möglich. Bei beiden Ausführungsform wird das Stabilisierungsgas lokal eingebracht, wodurch durch das gezielte Einbringen von Stabilisierungsgas entweder der Zersetzungsprozess des Nitratsalzes unterdrückt oder das zeitweise zersetze Nitratsalz regeneriert wird.
1 zeigt einen üblichen Aufbau eines bekannten Solarreceivers in einem solarthermischen Kraftwerk im Sinne der vorliegenden Erfindung. Dieses besteht aus einem Heliostatenfeld, einem Turm mit Receiver, dem Zwei-Tank-Flüssigsalz-Speicher und einem Kraftwerksblock. Direkte Sonnenstrahlung wird dabei durch die Heliostaten auf den Receiver konzentriert und dort in Wärme bei hohen Temperaturen umgewandelt. Diese Wärme wird im Receiver in das Wärmeträgermedium Flüssigsalz, also die Nitratsalzschmelze, eingetragen und danach in einem Heißtank zwischengespeichert. Aus diesem Heißtank kann kontinuierlich heißes Salz, also eine heiße Nitratsalzschmelze, mit einer Pumpe entnommen werden und dem Kraftwerksblock zur weiteren Stromproduktion zur Verfügung gestellt werden. Die durch diesen Prozess heruntergekühlte Nitratsalzschmelze wird dann in einem Kalttank zwischengespeichert, von wo aus sie bei Sonnenstrahlung wieder dem Receiver zur Verfügung gestellt werden kann.
Dieser Aufbau wird nun durch die vorliegende Erfindung durch die erste und zweite Teilkomponente modifiziert. Diese werden in diesen an sich bekannten Aufbau eines Solarreceivers eingebaut, wodurch eine erfindungsgemäße Vorrichtung erhalten wird. Dabei ist es möglich, dass die erste und zweite Teilkomponente an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Diese beiden Ausführungsformen sind in den 2 und 3 dargestellt.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung, welche schematisch in 2 dargestellt ist, sind die erste und zweite Teilkomponente mit einem zwischengeschalteten Prozess, dem Wärmeeintrag, realisiert. Der Wärmeeintrag kann beispielsweise durch einen Solarreceiver bzw. die dadurch aufgenommene Wärme erfolgen. Die Nitratsalzschmelze wird in dieser Ausführungsform vor dem Wärmeeintrag bei einer niedrigeren Temperatur mit dem Stabilisierungsgas in Kontakt gebracht. Die so erzeugte Mischung aus der Nitratsalzschmelze und Stabilisierungsgas wird dann zu einer Aufnahmeeinheit weitergeleitet, in der der Wärmeeintrag erfolgt. Die Nitratsalzschmelze, welche gelöste Gase aufweist und über welcher zudem eine Gasphase mit dem Stabilisierungsgas vorhanden ist, ist unempfindlicher hinsichtlich Materialzersetzung gegenüber der reinen Nitratsalzschmelze. Im Anschluss an den Wärmeeintrag und gegebenenfalls weitere im Reaktor vorhandene Komponenten, die eine starke Fluidbewegung verursachen, wird das Stabilisierungsgas in der zweiten Teilkomponente abgeschieden und zur ersten Teilkomponente zurückgeführt.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 ausschnittsweise dargestellt. In dieser sind die erste und zweite Teilkomponente kombiniert. Zunächst erfolgt der Wärmeeintrag, welcher dazu führt, dass die Salzschmelze sich zersetzt. Im Anschluss an den Wärmeeintrag wird in der ersten Teilkomponente das Stabilisierungsgas in die Nitratsalzschmelze eingebracht. Für eine gewisse Flussdauer der Nitratsalzschmelze in der Vorrichtung bis zum Bereich der zweiten Teilkomponente, in der das Abscheiden des Gases aus der Schmelze erfolgt, findet eine Regeneration des Salzes statt.
Nach der zweiten Teilkomponente erhält man ein stabilisiertes Nitratsalz, welches in einem Solarkraftwerk weiter genutzt werden kann. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bildung toxischer Gase, die beispielsweise als Abgas in die Umgebung gelangen können, reduziert. Weiterhin wird die Korrosivität der Schmelze reduziert, sodass hierdurch die Lebensdauer der Kraftwerke bzw. der einzelnen Bestandteile deutlich verlängert werden kann, wodurch ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist.
Die erste Teilkomponente kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine aktive Gasförderung mit Verdichter aufweisen. Ebenso kann diese in einer bevorzugten Ausführungsform ein Eindüsen aufweisen, das ein Verdüsen des Stabilisierungsgases in die Nitratsalzschmelze ermöglicht. Denkbar ist auch eine passive Gasförderung mittels einer Flüssigkeitsstrahl-Vakuumpumpe, wobei die Pumpleistung aus der kinetischen Energie der Nitratsalzschmelze kommt.
Die Erhöhung der Grenzflächenoberfläche zwischen Nitratsalzschmelze und Stabilisierungsgas kann auch beispielsweise mittels eines Rührers, eines statischen Mischers oder einer keramischen Membranscheibe erfolgen. Durch die Erhöhung der Grenzflächen erfolgt eine Verbesserung des Gaseintrags in die Nitratsalzschmelze und damit eine verbesserte Stabilisierung.
Um die Verweilzeit der Nitratsalzschmelze in der ersten Teilkomponente zu erhöhen, kann diese auch eine aktive oder passive Zirkulation für die Nitratsalzschmelze aufweisen. Eine aktive Rezirkulation kann beispielsweise mittels einer Kreiselpumpe ermöglicht werden, eine passive mittels einer Flüssigkeitsstrahl-Flüssigkeitspumpe, um jeweils nur ein Beispiel zu nennen.
Die zweite Teilkomponente weist einer bevorzugten Ausführungsform einen Zyklon zur Gasabscheidung auf. Es ist jedoch auch möglich, dass die Gasabscheidung im Bereich der zweiten Teilkomponente allein durch die Schwerkraft erfolgt.
Zur Erhöhung der Verweilzeit kann auch die zweite Teilkomponente Vorrichtungen zur Rezirkulation in der Nitratsalzschmelze aufweisen. Auch hier können aktive oder passive Pumpen, wie beispielsweise eine Kreiselpumpe zur aktiven Rezirkulation oder eine Flüssigkeitsstrahl-Flüssigkeitspumpe zur passiven Zirkulation bereitgestellt werden.
Vorzugsweise umfasst die zweite Teilkomponente weiterhin Anschlussleitungen für die Druck-, Füllstands- und Gasatmosphäreneinstellungen im Abscheidungsbehälter, in welchem das abgeschiedene Stabilisierungsgas gesammelt wird.

Claims

Verfahren zur thermischen Stabilisierung von Nitratsalzschmelzen in thermischen Kraftwerken, insbesondere Solarkraftwerken umfassend: a) Bereitstellen einer Nitratsalzschmelze, wobei das Nitratsalz ausgewählt ist aus Alkalimetallnitraten, Erdalkalimetallnitraten und Mischungen von einem oder mehreren Alkalimetallnitraten und Erdalkalimetallnitraten, und transportieren der Nitratsalzschmelze in dafür vorgesehenen Leitungen, b) Einbringen eine Wärmemenge ΔQ_Pat an einer definierten Position, wobei die Wärmemenge insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt wird, zu der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach Schritt b) ein Stabilisierungsgas zu der Nitratsalzschmelze zugeführt wird, wobei das Stabilisierungsgas Sauerstoff, wenigstens ein nitroses Gas und gegebenenfalls Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsgas ein oder mehrere nitrose Gase, ausgewählt aus NO, NO₂ und N₂O, insbesondere NO und NO₂, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsgas zumindest teilweise aus der Nitratsalzschmelze abgeschieden wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsgas mit Hilfe einer externen Quelle bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsgas mit einem Druck von 1 bar oder mehr, vorzugsweise von 2 bar oder mehr, insbesondere von 5 bar oder mehr zu der Solarsalzschmelze zugefügt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsgas 20 Vol.-% oder mehr Sauerstoff und 500 ppm oder mehr nitrose Gase und ggf. Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Gases aus der Nitratsalzschmelze auf Grund der Schwerkraft oder mittels eines Zyklons erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend a) eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme thermischer Energie, insbesondere durch Solarstrahlung, b) eine erste Speichereinheit (Heißspeicher), in der eine Nitratsalzschmelze gespeichert werden kann, nachdem sie thermische Energie aus der Aufnahmeeinheit aufgenommen hat, c) einen Verbraucher, in welchem die thermische Energie aus der Nitratsalzschmelze in elektrische Energie umgewandelt wird, d) eine zweite Speichereinheit (Kaltspeicher), in der die Nitratsalzschmelze gespeichert werden kann, nachdem die thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wurde, und d) Leitungen, in denen eine Nitratsalzschmelze im Kreis geführt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin e) eine erste Teilkomponente aufweist, in der ein Stabilisierungsgas zu der Nitratsalzschmelze zugeführt wird und f) eine zweite Teilkomponente aufweist, in der das Stabilisierungsgas aus der Nitratsalzschmelze entfernt wird, wobei die erste Teilkomponente in Fließrichtung der Nitratsalzschmelze vor oder nach der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme thermischer Energie angeordnet ist und die zweite Teilkomponente in Fließrichtung der Nitratsalzschmelze nach der ersten Teilkomponente und nach der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme thermischer Energie angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilkomponente eine Vorrichtung zur Einbringung des Stabilisierungsgases aufweist, insbesondere einen Verdichter oder eine Pumpe.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilkomponente eine Vorrichtung zur Gasabscheidung aufweist, insbesondere einen Zyklon.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Teilkomponente eine Vorrichtung zur aktiven oder passiven Rezirkulation aufweisen, um die Verweilzeit der Nitratsalzschmelze in der jeweiligen Teilkomponente zu erhöhen.