WO2023025424A1 - Wärmespeichersystem zur sensiblen wärmespeicherung in salzschmelzen - Google Patents

Wärmespeichersystem zur sensiblen wärmespeicherung in salzschmelzen Download PDF

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Kai Wieghardt
Kai Schmitz
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • F28D2020/0095—Partitions movable or floating

Definitions

  • the present invention relates to a heat storage system for sensible heat storage in molten salts.
  • heat stores that carry out sensible heat storage are known for storing heat in heat stores.
  • Heat storage devices for sensitive heat storage are known, for example, as so-called liquid salt storage in solar thermal power plants.
  • So-called two-tank systems have been implemented on a large scale, in which solar-thermally heated, molten salt is stored in the so-called hot tank and fed through a heat exchanger into a so-called cold tank to discharge the thermal energy. From there, the cold molten salt is routed through the heat exchanger or solar receiver, such as a solar tower receiver or parabolic trough receiver, for heating and then stored again in the hot tank.
  • the temperature in the respective tank remains constant.
  • the maximum temperature of the molten salt is limited to approx. 560° C., since otherwise the solar salt would undergo excessive thermal decomposition.
  • Solar salt is defined in the literature as a mixture with 60% by weight sodium nitrate and 40% by weight potassium nitrate.
  • the essential reactions in the decomposition of the molten salt are a nitrate-nitrite conversion with the release of oxygen and, with increasing temperatures, a nitrite-oxide conversion with the release of nitrogen oxides.
  • the release of oxygen is tolerable.
  • the toxic nitrogen oxides should be avoided, since they should not escape from the storage system, but this can only be achieved with great effort.
  • the decomposition with nitrogen oxides can lead to an accumulation of oxide ions in the solar salt.
  • the corrosion rate of container materials can increase due to the oxide ions. Overall, it is therefore desirable to suppress the nitrogen oxide reaction as much as possible.
  • a protective gas is often also used in two-tank systems, which, in addition to the general consumption of this protective gas and the associated costs, also leads to heat losses due to the heating of the protective gas.
  • a two-tank system is also associated with a relatively high design effort due to the provision of two tanks.
  • the hot tank can cool down, which can lead to deformations of the tank bottom relative to the ground and thus to damage to the tank.
  • the heat storage system according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the heat storage system according to the invention for sensible heat storage in molten salts provides a heat storage tank for receiving molten salts, cold salt melts with a density PK, hot salt melts with a density PH and a large number of floating bodies with a predetermined density ps being arranged in the heat storage tank, where PH applies ⁇ ps ⁇ PK.
  • Molten salt has the property that it has a relatively large density difference in the cold state, which is around a temperature of 300° C, and in the hot state, which is in the range of 560° C and sometimes even higher, so that in the Heat storage tank arranging the cold molten salt at the bottom and the hot molten salt at the top.
  • the floating bodies which have a density ps that lies between the density PK of the cold molten salt and the density PH of the hot molten salt, float in a separating layer between the cold molten salt and the hot molten salt that forms between the two areas.
  • the cold molten salt has a relatively high viscosity (approx. factor 4) compared to the hot molten salt, so that the floating bodies practically rest on the cold phase.
  • the floating bodies thus advantageously form a separation between the hot molten salt and the cold molten salt.
  • the salt arranged between the floating bodies which has a temperature between the temperature of the cold molten salt and the temperature of the hot molten salt, forms a kind of insulating layer.
  • the hot molten salt and the cold molten salt are advantageously separated from one another and mixing of the cold and hot phases is prevented. Heat transfer from the hot molten salt to the cold molten salt and heat losses associated therewith are also reduced.
  • cold molten salt can now advantageously be filled in the lower area, ie in the area below the floating body, and hot molten salt in the upper area, ie in the area above the floats, whereby the separation between the phases is maintained during operation.
  • the density ps of the buoys is understood to mean the “total density” of the buoys and not the density of individual materials that the buoys may be made of.
  • molten salt is arranged between the floating bodies also reduces friction between the floating bodies, as a result of which abrasion of the floating bodies, which can soil the molten salt, is reduced or avoided.
  • the floating bodies are preferably designed as hollow bodies. It can be provided that the hollow bodies are filled with ballast. In this way, a density of the hollow bodies can be adjusted, which means that an adjustment can be made to the temperature range in which the heat storage system is operated, or also to the type of molten salt used.
  • the ballast should have a temperature resistance that is well above the temperature of the hot molten salt, for example, it should have a temperature resistance of 700° C. or more.
  • sand is used as ballast.
  • Sand has proven to be particularly advantageous for use as ballast in floating bodies designed as hollow bodies.
  • the floating bodies can consist at least partially of a metal.
  • the material from which the floating bodies are made must also have a temperature resistance that prevents the floating bodies from changing due to the temperature of the hot molten salt. Accordingly, the floating bodies should also have a temperature resistance of at least 700° C or more.
  • the floating bodies can be made at least partially of high-grade steel or an austenitic steel.
  • the floating bodies can have a spherical shape. Such a shape has the particular advantage that they can be arranged in a particularly advantageous manner and very densely in the separating layer, as a result of which the separating layer can be formed in a particularly advantageous manner.
  • friction and thus abrasion between spherical floating bodies is very low.
  • the spherical shape also prevents or reduces the floating bodies from tilting against one another, so that the floating bodies are prevented from protruding too far into the hot or cold molten salt, for example.
  • the floating bodies can have a diameter D, where: 50 mm ⁇ D ⁇ 500 mm.
  • the diameter D refers to the outside diameter of the balls.
  • the diameter D refers to the maximum diameter of the corresponding shape.
  • the only figure shows a schematic sectional view of a heat storage system 1 according to the invention.
  • the heat storage system 1 has a heat storage tank 3 and is used to store heat in molten salt.
  • the heat storage tank 3 is surrounded by insulation 5 .
  • hot molten salt 9 is arranged in a hot area and cold molten salt 13 is arranged in a cold area 11 . Due to the lower density of the hot salt melt 9, the hot area 7 is above the cold area 11.
  • a separating layer 15 is formed between the hot area 7 and the cold area 11.
  • the separating layer 15 is formed by a multiplicity of floating bodies 17 with molten salt 19 located between them.
  • the molten salt 19 has a temperature that is lower than that Temperature of hot molten salt 9 and higher than temperature of cold molten salt 13.
  • the salt melt basically has the property that there is a relatively large density difference between the density PK of the cold salt melt 13 and the density PH of the hot salt melt 9 .
  • the density ps of the floating bodies 17 is selected in such a way that it is greater than the density PH of the hot molten salt 9 and lower than the density PK of the cold molten salt 13, as a result of which the floating bodies 17 are arranged between the cold molten salt 13 and the hot molten salt 9 are.
  • the floating bodies 17 have a spherical shape with a diameter D on.
  • the floating bodies 17 and the molten salt 19 located between them form an advantageous insulation between the cold molten salt 13 and the hot molten salt 9, as a result of which heat losses are avoided.
  • the heat storage system 1 according to the invention also has a device 21 for loading and unloading the heat storage container 3 .
  • a device 21 for loading and unloading the heat storage container 3 To discharge the heat storage system 1 according to the invention, hot molten salt 9 is removed from the hot area 7 via a hot line 23 , with cooled cold molten salt 13 being introduced into the cold area 11 .
  • cold molten salt 13 is removed from the cold area 11 via a cold line 25 and introduced into the hot area 7 after heating in a heat exchanger 27, for example.
  • the separating layer 15 thus migrates up and down in the heat storage container 3 during loading and unloading.
  • the floating body 17 can be designed as hollow spheres that are filled with ballast, such as sand.
  • the hollow spheres can be made of stainless steel, for example.
  • the spherical shape keeps friction between the floating bodies 17 and thus abrasion low, with the salt 19 arranged between the floating bodies 17 further reducing the friction.
  • the heat storage system 1 according to the invention thus makes it possible for the disadvantages present in one-tank systems, in particular the heat transfer from the hot molten salt 9 to the cold molten salt 13, to be avoided.

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Abstract

Wärmespeichervorrichtung zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen, mit einem Wärmespeicherbehälter zur Aufnahme von Salzschmelze, wobei in dem Wärmespeicherbehälter kalte Salzschmelze mit einer Dichte ρK, heiße Salzschmelze mit einer Dichte ρH und eine Vielzahl von Schwimmkörpern mit einer vorgegeben Dichte ρS angeordnet sind, und wobei gilt: ρK< ρS < ρH.

Description

Wärmespeichersvstem zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen.
Zur Speicherung von Wärme in Wärmespeichern sind neben Latentwärmespeichern und thermochemischen Wärmespeichern Wärmespeicher bekannt, die eine sensible Wärmespeicherung vornehmen.
Wärmespeichervorrichtungen zur sensiblen Wärmespeicherung sind beispielsweise als sogenannte Flüssigsalzspeicher in solarthermischen Kraftwerken bekannt. Großmaßstäblich umgesetzt sind sogenannte Zweitanksysteme, bei denen in dem sogenannten Heißtank solarthermisch erhitztes, geschmolzenes Salz gespeichert wird und zur Entladung der Wärmeenergie durch einen Wärmetauscher in einen sogenannten Kalttank geleitet werden. Von diesem wird die kalte Salzschmelze durch die Wärmeübertrager oder Solarreceiver, wie beispielsweise Solarturmreceiver oder Parabolrinnenreceiver, zur Erhitzung geleitet und anschließend wieder in den Heißtank gespeichert. Dabei bleibt die Temperatur in den jeweiligen Tank konstant. Bei derartigen Systemen ist die maximale Temperatur der Salzschmelze auf ca. 560° C begrenzt, da andernfalls eine zu starke thermischen Zersetzung des Solarsalzes erfolgt. Solarsalz ist in der Literatur als Mischung mit 60 Gew% Natriumnitrat und 40 Gew% Kaliumnitrat definiert. Bei der Zersetzung des Solarsalzes kommt es zu einer Reaktion in der flüssigen Phase und zu einer Abgabe von Gasen. Die wesentlichen Reaktionen bei der Zersetzung der Salzschmelze sind eine Nitrat- Nitrit-Umwandlung mit der Freisetzung von Sauerstoff und bei ansteigenden Temperaturen eine Nitrit-Oxid-Umwandlung mit der Freisetzung von Stickoxiden. Die Freisetzung von Sauerstoff ist tolerierbar. Die giftigen Stickoxide sind jedoch zu vermeiden, da diese nicht aus dem Speichersystem gelangen sollten, was jedoch nur mit großem Aufwand verwirklichbar ist. Weiterhin kann die Zersetzung mit Stickoxiden zu einer Anreicherung von Oxidio- nen im Solarsalz führt. Durch die Oxidionen kann die Korrosionsrate von Behältermaterialien steigen. Insgesamt ist es daher erstrebenswert die Stickoxidreaktion so weit wie möglich zu unterdrücken.
Häufig wird bei Zweitanksystemen auch ein Schutzgas eingesetzt, was neben dem generellen Verbrauch dieses Schutzgases und damit verbundenen Kosten auch zu Wärmeverlusten durch eine Erwärmung des Schutzgases führt.
Ein Zweitanksystem ist darüber hinaus durch das Vorsehen von zwei Tanks mit einem relativ hohen konstruktiven Aufwand verbunden.
Ferner kann es bei geringen Füllständen zu einer Auskühlung des Heißtanks kommen, was zu Verformungen des Tankbodens relativ zu dem Untergrund und somit zu Beschädigungen des Tanks führen kann.
Neben den kommerziellen Zweitanksystemen sind auch sogenannte Eintanksysteme untersucht worden.
Bei Eintanksystemen nach dem sogenannten Thermoclyne-Prinzip, können Problem durch eine unscharfe Trennung von Heiß- und Kaltphase entstehen.
Bei Eintanksystemen mit einer schwimmenden Platte können Verluste zwischen Heiß- und Kaltphase aufgrund des notwendigen radialen Spalts der Platte zu der Behälterwandung entstehen. Darüber hinaus besteht ein Risiko, dass eine in dem Behälter verwendete Tauchpumpe in Kontakt mit der Platte kommt, was zu Beschädigungen führen kann
Die zuvor beschriebenen technischen Beispiele sind allgemeines Knowhow der Anmelderin und geben nicht unbedingt einen konkreten Stand der Technik wieder. Die beschriebenen Systeme sind darüber hinaus nicht zwangsläufig vorveröffentlicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung von Salzschmelzen zu schaffen, das von einfachem konstruktiven Aufbau ist und darüber hinaus eine vorteilhafte Trennung zwischen Heiß- und Kaltphase ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen sieht einen Wärmespeicherbehälter zur Aufnahme von Salzschmelze vor, wobei in dem Wärmespeicherbehälter kalte Salzschmelze mit einer Dichte PK, heiße Salzschmelze mit einer Dichte PH und eine Vielzahl von Schwimmkörpern mit einer vorgegebenen Dichte ps angeordnet sind, wobei gilt PH < ps < PK. Salzschmelze hat die Eigenschaft, dass diese im kalten Zustand, was etwa im Bereich einer Temperatur von 300° C liegt, und im heißen Zustand, was im Bereich von 560° C und teilweise darüber ist, einen relativ großen Dichteunterschied aufweist, sodass sich in dem Wärmespeicherbehälter die kalte Salzschmelze unten und die heiße Salzschmelze oben anordnet. Die Schwimmkörper, die eine Dichte ps aufweisen, die zwischen der Dichte PK der kalten Salzschmelze und der Dichte PH der heißen Salzschmelze liegt, schwimmen die Schwimmkörper in einer Trennschicht zwischen der kalten Salzschmelze und der heißen Salzschmelze, die sich zwischen den beiden Bereichen ausbildet. Die kalte Salzschmelze hat darüber hinaus eine im Vergleich zur heißen Salzschmelze relativ hohe Zähigkeit (ca. Faktor 4), sodass die Schwimmkörper praktisch auf der Kaltphase aufliegen. Die Schwimmkörper bilden somit in vorteilhafter Weise eine Trennung zwischen der heißen Salzschmelze und der kalten Salzschmelze. Da Salzschmelzen grundsätzlich eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweise, bildet das sich zwischen den Schwimmkörpern anordnende Salz, das eine Temperatur zwischen der Temperatur der kalten Salzschmelze und der Temperatur der heißen Salzschmelze aufweist, eine Art Isolationsschicht. Dadurch werden die heiße Salzschmelze und die kalte Salzschmelze in vorteilhafter Weise voneinander getrennt und eine Vermischung der kalten und heißen Phase wird unterbunden. Auch wird eine Wärmeübertragung von der heißen Salzschmelze auf die kalte Salzschmelze und damit verbundene Wärmeverluste verringert. Im Betrieb kann nun in vorteilhafter Weise kalte Salzschmelze in den unteren Bereich, d.h. im Bereich unterhalt der Schwimmkörper eingefüllt werden und heiße Salzschmelze in den oberen Bereich, d.h. im Bereich oberhalb der Schwimmkörper, wodurch im Betrieb die Trennung zwischen den Phasen erhalten bleibt.
Unter der Dichte ps der Schwimmkörper wird die "Gesamtdichte" der Schwimmkörper verstanden und nicht die Dichte einzelner Materialien, aus denen die Schwimmkörper bestehen können.
Dadurch, dass Salzschmelze zwischen den Schwimmkörpern angeordnet ist, werden darüber hinaus Reibungen zwischen den Schwimmkörpern reduziert, wodurch ein Abrieb der Schwimmkörper, der die Salzschmelze verschmutzen kann, reduziert bzw. vermieden wird.
Vorzugsweise sind die Schwimmkörper als Hohlkörper ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hohlkörper mit einem Ballast gefüllt sind. Auf diese Weise kann eine Dichte der Hohlkörper angepasst werden, wodurch eine Anpassung an den Temperaturbereich, in dem das Wärmespeichersystem betrieben wird, oder auch an die Art der verwendeten Salzschmelze erfolgen kann.
Der Ballast sollte möglichst eine Temperaturbeständigkeit aufweisen, die deutlich über der Temperatur der heißen Salzschmelze liegt, beispielsweise sollte eine Temperaturbeständigkeit von 700° C oder mehr vorliegen.
Bei einer Ausführungsform wird als Ballast Sand verwendet. Sand hat sich als besonders vorteilhaft für die Verwendung als Ballast in als Hohlkörper ausgebildeten Schwimmkörper herausgestellt.
Die Schwimmkörper können zumindest teilweise aus einem Metall bestehen. Selbstverständlich muss das Material, aus dem die Schwimmkörper bestehen, auch eine Temperaturbeständigkeit aufweisen, durch die vermieden wird, dass es zu einer Veränderung der Schwimmkörper aufgrund der Temperatur der heißen salzschmelze kommen kann. Demnach sollten die Schwimmkörper auch eine Temperaturbeständigkeit von mindesten 700° C oder mehr aufweisen.
Die Schwimmkörper können zumindest teilweise aus Edelstahl oder einem auste- nitischen Stahl bestehen. Die Schwimmkörper können eine Kugelform aufweisen. Eine derartige Form hat den besonderen Vorteil, dass diese sich in der Trennschicht in besonders vorteilhafter Weise und sehr dicht anordnen können, wodurch die Trennschicht in besonders vorteilhafter Weise ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist eine Reibung und somit der Abrieb zwischen kugelförmigen Schwimmkörpern sehr gering. Auch wird ein Verkanten der Schwimmkörper gegeneinander durch die Kugelform vermieden oder reduziert, sodass vermieden wird, dass die Schwimmkörper beispielsweise zu stark in die heiße oder kalte Salzschmelze hineinragen.
Die Schwimmkörper können einen Durchmesser D aufweisen, wobei gilt: 50 mm < D < 500 mm.
Bei der Ausgestaltung der Schwimmkörper in einer Kugelform betrifft der Durchmesser D den Außendurchmesser der Kugeln. Bei Schwimmkörpern mit einer anderen Form bezieht sich der Durchmesser D auf den maximalen Durchmesser der entsprechenden Form.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1.
Das Wärmespeichersystem 1 weist einen Wärmespeicherbehälter 3 auf und dient zur Wärmespeicherung in Salzschmelzen. Der Wärmespeicherbehälter 3 ist von einer Isolierung 5 umgeben. In den Wärmespeicherbehälter 3 ist in einem Heißbereich heiße Salzschmelze 9 und in einem Kaltbereich 11 kalte Salzschmelze 13 angeordnet. Aufgrund der geringeren Dichte der heißen Salzschmelze 9 befindet sich der Heißbereich 7 oberhalb des Kaltbereichs 11. Zwischen dem Heißbereich 7 und dem Kaltbereich 11 ist eine Trennschicht 15 gebildet. Die Trennschicht 15 ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem 1 durch eine Vielzahl von Schwimmkörpern 17 mit dazwischen befindlicher Salzschmelze 19 gebildet. Die Salzschmelze 19 weist dabei eine Temperatur auf, die geringer ist als die Temperatur der heißen Salzschmelze 9 und höher als die Temperatur der kalten Salzschmelze 13.
Die Salzschmelze hat grundsätzlich die Eigenschaft, dass ein relativ großer Dichteunterschied zwischen der Dichte PK der kalten Salzschmelze 13 und der Dichte PH der heißen Salzschmelze 9 besteht. Die Dichte ps der Schwimmkörper 17 ist dabei derart gewählt, dass diese größer ist als die Dichte PH der heißen Salzschmelze 9 und geringer ist als die Dichte PK der kalten Salzschmelze 13, wodurch die Schwimmkörper 17 zwischen der kalten Salzschmelze 13 und der heißen Salzschmelze 9 angeordnet sind.
Die Schwimmkörper 17 weisen eine Kugelform mit einem Durchmesser D auf.
Durch die Schwimmkörper 17 und die dazwischen befindliche Salzschmelze 19 ist eine vorteilhafte Isolierung zwischen der kalten Salzschmelze 13 und der heißen Salzschmelze 9 gebildet, wodurch Wärmeverluste vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem 1 weist darüber hinaus eine Vorrichtung 21 zum Be- und Entladen des Wärmespeicherbehälters 3 auf. Zum Entladen des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1 wird über eine Heißleitung 23 heiße Salzschmelze 9 aus dem Heißbereich 7 entnommen, wobei abgekühlte kalte Salzschmelze 13 in den Kaltbereich 11 eingeleitet wird. Beim Beladen des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1 wird kalte Salzschmelze 13 aus dem Kaltbereich 11 über eine Kaltleitung 25 entnommen und nach dem Erhitzen in beispielsweise einem Wärmetauscher 27 in den Heißbereich 7 eingeleitet. Die Trennschicht 15 wandert somit beim Be- und Entladen entsprechend in dem Wärmespeicherbehälter 3 auf und ab.
Die Schwimmkörper 17 können als Hohlkugeln ausgebildet sein, die mit einem Ballast, beispielsweise Sand gefüllt sind. Die Hohlkugeln können beispielsweise aus Edelstahl bestehen. Durch die Kugelform wird Reibung zwischen den Schwimmkörpern 17 und somit ein Abrieb geringgehalten, wobei darüber hinaus das zwischen den Schwimmkörpern 17 angeordnete Salz 19 die Reibung weiter verringert. Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem 1 ermöglicht somit, dass die bei Eintanksystemen vorhandenen Nachteile, insbesondere des Wärmeübergangs von der heißen Salzschmelze 9 zu der kalten Salzschmelze 13 vermieden werden können.
Bezugszeichenhste
Wärmespeichersystem
Wärmespeicherbehälter
Isolierung
Heißbereich heiße Salzschmelze
Kaltbereich kalte Salzschmelze
Trennschicht
Schwimmkörper
Salzschmelze, Salz
Vorrichtung
Heißleitung
Kaltleitung
Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche Wärmespeichersystem (1) zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen, mit einem Wärmespeicherbehälter (3) zur Aufnahme von Salzschmelze, wobei in dem Wärmespeicherbehälter (3) kalte Salzschmelze (13) mit einer Dichte PK, heiße Salzschmelze (9) mit einer Dichte PH und eine Vielzahl von Schwimmkörpern (17) mit einer vorgegeben Dichte ps angeordnet sind, und wobei gilt: PH< ps < PK. Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (17) als Hohlkörper ausgebildet sind. Wärmespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper mit einem Ballast gefüllt sind. Wärmespeichersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballast Sand ist. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (17) zumindest teilweise aus einem Metall bestehen. Wärmespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (17) zumindest teilweise aus Edelstahl oder einem auste- nitischen Stahl bestehen. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (17) jeweils eine Kugelform aufweisen. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (17) einen Durchmesser D aufweisen, wobei gilt: 50 mm < D < 500 mm.
9
PCT/EP2022/064717 2021-08-26 2022-05-31 Wärmespeichersystem zur sensiblen wärmespeicherung in salzschmelzen WO2023025424A1 (de)

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