WO2017178412A1 - Nitrate-based heat storage medium and solar-thermal power plant - Google Patents
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- WO2017178412A1 WO2017178412A1 PCT/EP2017/058509 EP2017058509W WO2017178412A1 WO 2017178412 A1 WO2017178412 A1 WO 2017178412A1 EP 2017058509 W EP2017058509 W EP 2017058509W WO 2017178412 A1 WO2017178412 A1 WO 2017178412A1
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Definitions
- the invention relates to a heat storage medium based on nitrate, in particular a binary Nitratsalzgemisch and / or a heat storage medium based on a binary Nitratsalzgemisches and a solar thermal power plant in which such a salt mixture is provided as a heat storage medium.
- Receiver tubes in the form of heat via a heat exchanger to transfer a water-steam cycle with generator.
- Schlechtwetterperi ⁇ oden is ⁇ det during the daytime phase continu ously ⁇ a portion of the collected heat for heating a liquid salt mixture of about 290 ° C to about 390 ° C USAGE.
- This salt mixture used as thermal energy storage is known by the name SolarSalt and is usually a mixture of 60 wt .-% sodium nitrate and 40 wt .-% potassium nitrate, with a non-eutectic melting point of 238 ° C, where the "cold" salt mixture at 290 ° C in the cold tank is heated up to 393 ° C via a special oil-salt heat exchanger against the hot heat transfer medium leaving the solar field Hot tank pumped and stored for night use. After sunset, this now hot salt mixture is again used to heat the heat transfer medium, thereby thermally discharged via oil-salt heat exchanger from about 390 ° C to about 290 ° C and pumped from the hot tank in the cold tank.
- TES thermal energy storage
- the heat oil heated by these heat provided by the TES system is thus able to supply the turbine of the generator with steam during the night phase, thus maintaining the continuous generation of electricity through the generator.
- This TES system is thus essential for the solar thermal power plant technology, as it allows to provide energy in a simple manner according to the principle of "heat-to-power" for a later date and thereby save relatively inexpensively.
- the costs for the known solar duty fluctuate since the nitrates are used not only for TES storage salt production, but mainly for fertilizer production. Apart from that, the low-cost nitrate salt mixtures also always entail the risk that chloride-contaminated salt mixtures are used which, when used in storage facilities, cause corrosive damage there.
- Power generation such as solar thermal power plant technology, to bring more and more economic in (socio-) compete with fossil Ener ⁇ gieermaschineung.
- EP 0 049 761 A1 discloses a ternary mixture with crystalline calcium nitrate as heat transfer medium.
- WO 2015043810 A1 discloses a heat storage medium based on a double salt of potassium calcium nitrate and a sodium nitrate, which can optionally be used in solar thermal power plants in the presence of water of crystallization.
- a disadvantage of the previously known nitrate-based heat transfer and / or heat storage media is the high potassium content, which, as explained above, with cost-effective availability, entails the risk of corrosive damage to the installation.
- CSP experts so far will focus on the lowest-melting formulation of a salt mixture into ⁇ particular with regard to the possible use as a heat transfer medium, so instead of conventionally ver Liste- th thermal oils laid.
- Nitrate-based salt mixtures are available which, owing to the risk of corrosion in the power plants, are as low-chloride and inexpensive as possible and nevertheless can be used as storage medium in solar thermal power plants, as described above, with regard to their liquidus temperature and / or their thermal stability.
- nitrite mixtures in combination or as a replacement of nitrate-based salt mixtures for varnish arrivedme- is serving disadvantageous because nitrite mixtures are toxic and easily react un ⁇ ter air and / or oxygen to the respective Nitra ⁇ th, which with a change in the thermophysical properties and therefore can not be tolerated in solar power plant operation.
- the subject of the present invention is therefore a heat storage medium for solar power plants based on nitrate, characterized in that nitrates of the alkali and alkaline earth group are combined so that the smallest possible proportion of potassium nitrate results and still a liquidus temperature of 270 ° C, in particular 250 ° C, particularly preferably of 230 ° C is not exceeded.
- Potassium nitrate arms or even potassium nitrate-free salt mixtures nitrate based as heat storage media are to unanswered shouted ⁇ ben, as is understood in the art from a continuous operating temperature of 565 ° C and above, as for used there heat transfer media, prevails in parabolic trough solar power plants.
- this requirement does not apply; rather, it is possible to start from a continuous service temperature of 450 ° C., so that no stability of the salt mixture above this temperature is required.
- the maximum Ge ⁇ use temperature of thermal oils, which are used in the considered here solar thermal power plants as a heat transfer medium is approximately at 400 ° C to 450 ° C, so that a pure heat storage medium in these solar power plants, which are just operated with thermal oils, no stability above must have this temperature.
- potassium nitrate-free is in the present case a salt mixture is characterized loading which does not hold appreciable amounts of potassium nitrate ent ⁇ , wherein in case of technical salts and salt mixtures usual impurities with potassium, so as salt mixtures with potassium amounts up to 0.5 mol% here also as “ Potassium free ".
- This technical see salt mixtures are used and no high-purity Sal ⁇ ze, as are common for example in medical technology.
- corrosion-demanding substances such as hydroxides, carbonates, halides, halogens and / or sulfates in the salt mixture of the heat storage medium ⁇ killed, directly or indirectly, be avoided.
- directly in Salzge ⁇ mixing it is meant the addition of salts of these anions, whereas an "indirect presence” of these anions in the salt mixture is referred to when the possible reaction of the salt mixture carbonate for example, a hydroxide and / or carbonyl in air is likely and / or the contamination of the salt mixture by a manufacturing process of a Heat storage medium salt used, for example, a halide, such as a chloride comprises.
- the heat storage medium to more than 60 mol%, in particular more than 70 mol%, and particularly preferably more than 90 mol ⁇ 6 a binary salt mixture of calcium nitrate and sodium nitrate, calculated free of water of crystallization, but can be containing water of crystallization.
- the heat storage medium is a binary salt mixture of calcium and sodium nitrate, containing water of crystallization or free of water of crystallization. It can be provided that the salt mixture contained potassium amounts less than 40 mol%, in particular less than 30 mol%, particularly be less than 5 mol% ⁇ vorzugt.
- the ratio of potassium to calcium ions in the salt mixture is 1 to 6 or greater, ie for example 1 to 7 to 1 to 999 or more, that is to say 999 in the analysis of the salt mixture used as the heat storage medium
- Calcium ions only a single potassium ion or even less potassium ions.
- Figure 1 shows the liquidus of the binary salt mixture Ca (N03) 2 _ NaNÜ3.
- Ca (NO 3) 2 has a melting point of about 233 ° C and thus a very low solidification temperature. It is potassium nitrate-free and shows a relatively high specific heat capacity due to the high sodium nitrate content. This is particularly the case since the specific heat capacity in the liquid state at 400 ° C. of potassium nitrate, over sodium nitrate towards lithium nitrate in the alkali group increases sharply and sodium is known to be above potassium in the Periodic Table of the Elements (PSE) (LiNO 3 : 2.04 J / (gK), NaN0 3 : 1.63 J / (gK), KN0 3 : 1.38 J / (gK)).
- PSE Periodic Table of the Elements
- the binary salt mixture of calcium and sodium nitrate and / or it comprises a high proportion of sodium nitrate and a lower proportion of calcium nitrate, a leveling of volumetric energy storage density takes place, since the reduction of the specific total heat capacity by the calcium Part is partially compensated due to the higher density of calcium nitrate.
- the dynamic viscosity is due to the calcium nitrate ge ⁇ slightly higher than that of the solar Salts such as Ge in Figure 2 shows ⁇ is.
- Figure 2 shows the dynamic viscosity of solar ⁇ salt and the Na-Ca / nitrate eutectic in the relevant temperature range of 290 ° C (about 9 mPa-s) to 390 ° C (about 4 mPa-s).
- the viscosity values differ accordingly le ⁇ diglich to five (290 ° C) or two mPa.s requires that for common salt pumps, for example of the type submersible pump, no change of a design, and / or a pump power.
- the binary sodium nitrate-calcium nitrate salt mixture differs from SolarSalt mainly in the use of calcium nitrate instead of potassium nitrate.
- This component is mostly commercially available as a tetrahydrate of the chemical formula Ca (NO 3 ) 2 H 2 O (so-called "Norway Salpeter ”) and represents a relatively inexpensive material compared to potassium nitrate (about 50-60% of the price of KNO 3 ).
- Na-Ca / nitrate melts in the preparation of binary Na-Ca / nitrate melts, in
- Premelter mixes in which the two salt components are usually first and once melted together at about 300 ° C and pumped into the cold storage tank, expelled this crystalline water content of calcium nitrate. This represents an easily manageable process beginning at 110 ° C. and concluded at 250 ° -300 ° C.
- FIG. 3 the expulsion behavior investigated by means of differential scanning calorimetry is correspondingly shown.
- Figure 3 shows the heating behavior of the crystal water-containing mixture of calcium nitrate tetrahydrate and sodium nitrate, which yields the anhydrous eutectic when heated to 300 ° C, un ⁇ ter indicate the enthalpies (above), second melting of the unique dehydrated mixture with evidence of formation of the eutectic with melting point 230 ° C (center) and the Clearar ⁇ approximately behavior during cooling (below).
- the ammonium nitrate content of the NaNO 3 Ca (NO 3) 2 melt is less than 0.5% by weight, preferably less than 0.3% by weight. It is also provided according to a further embodiment of the invention that the chloride content should be as low as possible in order to minimize the tendency to corrode to keep, according to an advantageous embodiment below 0.05 wt .-%.
- Parabolic trough power plants are in the range of about 280 ° C to 400 ° C and should not be used as heat transfer media.
- the base mixture of sodium nitrate and anhydrous calcium nitrate, in particular close to the binary eutectic, that is in the range 60-75 mol% a 03 and 25-40 mol% Ca (03) 2 have, however, it can be used to optimize the egg ⁇ properties purposeful as a heat storage medium be said binary base mixture with alkali and Erdalkalinitraten, in particular lithium nitrate, potassium nitrate, rubidium nitrate, Stron ⁇ tiumnitrat and barium nitrate, to ternarise, quaternarize or quinitize.
- tempera ⁇ ren below 400 ° C such as maximum supply Injection ⁇ temperatures in the range below 350 ° C, in particular below ⁇ semi-300 ° C,
- Trustzugtesten at below 200 ° C are used, for example, Magnesium, aluminum and / or zinc nitrate, which form decomposition-free dehydratable nitrates in these temperature ranges, added as additives of the binary Nitratsalzgemisches of calcium and Natriumnit ⁇ rat.
- Figures 4 to 7 show calculated liquidus temperature projections of ternary mixtures of the base mixture
- the nitrates of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate and strontium nitrate are according to a preferred execution of the invention form to the Ca (N03) 2 _ NaN03 salt mixture for the preparation of the heat storage medium in an amount Be ⁇ ranging from 0.001 to 40 mol%, in particular in a Amount of 0.01 to 20 mol%, and particularly preferably in an amount of 0.1 to 10 mol% added.
- Advantageous embodiments of the invention with respect to the respective concrete Salzmi ⁇ research on the basis of the binary salt mixture of calcium, sodium nitrate, will become apparent to the skilled person in an obvious manner from the results shown here diagrams.
- Ca (N03) 2 _ NaNÜ3 has a Salzmi ⁇ research from 30 to 95 mol% NaN03, in particular 60Mol% to 95Mol% and 5 to 70 mol% Ca (N0 3) 2, in particular from 5 to 45 mol %, proven.
- the eutectic mixture is Ca (N03) 2 _ Na NO 3 with 69 mol% sodium nitrate and 31 mol% 3 NaNÜ kristallwas ⁇ serbuildm calcium nitrate Ca (N03) 2 with up to 10 mol% of
- Nitrate additive and this mixture for the responsible here expert solar thermal power plants obvious salt mixtures.
- nitrates provided according to an exemplary embodiment of the invention, as stated above, arise at least ternary, so three-component mixtures Salzmi ⁇ which preferably 60-75 mol% (43.5-61 wt .-%) a 03 so as ⁇ 25-40 mol% (39-56.5 wt .-%) Ca (N0 3) 2 and 0.001-10 mol%, so for example 6-22 wt .-%, of at least one additive from the group lithium nitrate, potassium nitrate, rubidium nitrate, cesium nitrate, magnesium nitrate, strontium nitrate and / or
- Barium nitrate include. Characterized 280-400 ° C are thermiekraftwerksanlagen liquid, sensible unloading, loadable ther ⁇ mix energy storage salts for thermo oil-based solar preferably in the temperature range, in particular of the type parabolic trough available.
- the solidification behavior of the salt mixtures for the first time described here as heat accumulators for solar thermal power ⁇ works on thermal oil-based, firstly because of the freezing point is low and calcium nitrate itself known to act as a cooler and retarded solidification falls below the actual solidification temperature of the mixture for a time.
- the thermal stability of the anhydrous, here for the first time as a heat storage medium for solar thermal power plants was measured by thermo gravimetric analysis at very low heating rates (1 K / min) of 290 ° C to 400 detected without loss of mass, and thus permits the use of the salt mixture over years or decades almost without refill and / or purification.
- the invention is first a heat storage medium for use in solar thermal power plants, operated with thermal oil as a heat transfer medium proposed which is ⁇ adjustable nitrate-based, in particular on the basis of egg ⁇ nes binary salt mixture of sodium and calcium nitrate forth and either without potassium nitrate or manages with ge ⁇ ringer amount of potassium nitrate. This is particularly important because in those countries where solar thermal power plants can become an important source of energy, potassium nitrate is needed primarily for agriculture as fertilizer for the production of food.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Wärmespeichermedium auf Nitratbasis und solarthermische Heat storage medium based on nitrate and solar thermal
Kraftwerksanlage Power plant
Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichermedium auf Nitratbasis, insbesondere ein binäres Nitratsalzgemisch und/oder ein Wärmespeichermedium auf Basis eines binären Nitratsalzgemisches sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage bei der als Wärmespeichermedium ein derartiges Salzgemisch vorgesehen ist . The invention relates to a heat storage medium based on nitrate, in particular a binary Nitratsalzgemisch and / or a heat storage medium based on a binary Nitratsalzgemisches and a solar thermal power plant in which such a salt mixture is provided as a heat storage medium.
Linienfokussierende, herkömmliche solarthermische Kraftwerks¬ anlagen (engl. Concentrating Solar Power, „CSP") , insbesondere des Typs Parabolrinne (engl. Parabolic Trough) , verwenden hauptsächlich nach dem Stand der Technik ein auf Biphenyl und Biphenylether basierendes Gemenge (eutektische Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur von 12 °C, maximale Betriebstemperatur ca. 395°C; z.B. Solutia Therminol® VP-1™ oder Dow® Dowtherm A™) als Wärmeüberträger - oder Wärmetransferfluid (engl. Heat Transfer Fluid, „HTF") , um absorbierte Sonnenenergie in Linienfokussierende conventional solar thermal power plant ¬ plants (engl. Concentrating Solar Power, "CSP"), in particular of the type parabolic trough (engl. Parabolic trough) use, mainly to the prior art, a system based on biphenyl and biphenyl ether mixture (eutectic melting or Solidification temperature of 12 ° C, maximum operating temperature of approximately 395 ° C, eg Solutia Therminol® VP-1 ™ or Dow® Dowtherm A ™) as heat transfer fluid ("HTF") to absorb absorbed solar energy in
Receiverrohren in Form von Wärme über einen Wärmetauscher auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf mit Generator zu übertragen. Um Elektrizität auch während der Nacht sowie Schlechtwetterperi¬ oden erzeugen zu können, wird im Laufe der Tagphase kontinu¬ ierlich ein Teil der gesammelten Wärme zum Erhitzen eines flüssigen Salzgemisches von ca. 290°C auf ca. 390°C verwen¬ det. Dieses als thermischer Energiespeicher (engl. Thermal Energy Storage, „TES") verwendete Salzgemisch ist unter dem Namen SolarSalt bekannt und ist üblicherweise eine Gemenge aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat, mit einem nicht-eutektischem Schmelzpunkt von 238°C. Dabei wird das auf 290°C befindliche, per Definition „kalte" Salzgemisch im Kalttank via einem speziellen Öl-Salz-Wärmetauscher gegen das heiße Wärmetransfermedium, das das Solarfeld verlässt, auf bis zu 393°C erhitzt, dabei in den Heißtank gepumpt und für die nächtliche Verwendung gespeichert. Nach dem Sonnenuntergang wird dieses nunmehr heiße Salzgemisch wieder rückwär- tig zum Erhitzen des Wärmetransfermediums verwendet, dabei via Öl-Salz-Wärmetauscher von ca. 390°C auf ca. 290°C thermisch entladen und vom heißen Tank in den kalten Tank gepumpt. Das durch diese durch das TES-System bereitgestellte Wärme erhitzte Thermoöl ist somit befähigt, auch während der Nachtphase die Turbine des Generators mit Dampf zu versorgen und somit die kontinuierliche Verstromung durch den Generator aufrecht zu erhalten. Dieses TES-System ist somit essentiell für die solarthermische Kraftwerkstechnik, da es erlaubt, Energie auf einfache Weise gemäß des Prinzips „Heat-to-Power" für einen späteren Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen und dabei relativ kostengünstig einzuspeichern. Receiver tubes in the form of heat via a heat exchanger to transfer a water-steam cycle with generator. In order to generate electricity during the night as well as Schlechtwetterperi ¬ oden is ¬ det during the daytime phase continu ously ¬ a portion of the collected heat for heating a liquid salt mixture of about 290 ° C to about 390 ° C USAGE. This salt mixture used as thermal energy storage ("TES") is known by the name SolarSalt and is usually a mixture of 60 wt .-% sodium nitrate and 40 wt .-% potassium nitrate, with a non-eutectic melting point of 238 ° C, where the "cold" salt mixture at 290 ° C in the cold tank is heated up to 393 ° C via a special oil-salt heat exchanger against the hot heat transfer medium leaving the solar field Hot tank pumped and stored for night use. After sunset, this now hot salt mixture is again used to heat the heat transfer medium, thereby thermally discharged via oil-salt heat exchanger from about 390 ° C to about 290 ° C and pumped from the hot tank in the cold tank. The heat oil heated by these heat provided by the TES system is thus able to supply the turbine of the generator with steam during the night phase, thus maintaining the continuous generation of electricity through the generator. This TES system is thus essential for the solar thermal power plant technology, as it allows to provide energy in a simple manner according to the principle of "heat-to-power" for a later date and thereby save relatively inexpensively.
Die Kosten für das bekannte Solarsalt schwanken, da die Nit- rate nicht nur für TES-Speichersalzherstellung, sondern hauptsächlich für die Düngerherstellung eingesetzt werden. Abgesehen davon besteht bei den kostengünstig erhältlichen Nitrat-Salzgemischen auch immer die Gefahr, dass mit Chlorid verunreinigte Salzgemische eingesetzt werden, die beim Ein- satz in Speicheranlagen dort korrosive Schäden verursachen.The costs for the known solar duty fluctuate since the nitrates are used not only for TES storage salt production, but mainly for fertilizer production. Apart from that, the low-cost nitrate salt mixtures also always entail the risk that chloride-contaminated salt mixtures are used which, when used in storage facilities, cause corrosive damage there.
Insbesondere bei Kaliumnitrat ist die Verfügbarkeit von Chlo¬ rid-armem Kaliumnitrat in großtechnischem Maßstab teuer, weil Kaliumnitrat hauptsächlich aus dem natürlich vorkommenden Kaliumchlorid durch Umsetzung mit Chilesalpeter (Natriumnitrat) gewonnen wird, was eine mehr oder minder starke Verunreinigung mit Chlorid mit sich bringt. Es ist bekannt, dass Chlo¬ ride im Zusammenhang mit Nitraten bei höheren Temperaturen ein bedeutend ausgeprägtes Korrosionsverhalten gegenüber Stählen entwickeln, weshalb in solarthermischen Kraftwerksan- lagen Chloride in Salzmischungen weitestgehend vermieden werden . Especially with potassium nitrate availability of Chlo ¬ rid-poor potassium nitrate on an industrial scale is expensive because potassium nitrate is mainly derived from the naturally occurring potassium chloride by reaction with Chilean nitrate (sodium nitrate), which is a more or less strong contamination with chloride entails. It is known that Chlo ride ¬ develop a significantly pronounced corrosion behavior towards steels in connection with nitrates at higher temperatures, which is why in solar thermal Kraftwerksan- were chlorides are largely avoided in salt mixtures.
Eine Gesamtkostenreduktion solarthermischer Kraftwerksanlagen führt damit konsequenterweise zu geringeren Stromgestehungs- kosten (engl. Levelized Cost of Electricity, „LCOE") . Dies ist notwendig, um diese ökologisch verträgliche Art der As a result, a total cost reduction of solar thermal power plants will lead to lower cost of electricity ("LCOE"), which is necessary to achieve this ecologically compatible type of energy
Stromerzeugung, wie die Solarthermische Kraftwerkstechnik, zunehmend in ( sozio- ) ökonomische Konkurrenz zu fossiler Ener¬ gieerzeugung zu bringen. Power generation, such as solar thermal power plant technology, to bring more and more economic in (socio-) compete with fossil Ener ¬ gieerzeugung.
Aus der US 7,588,694 Bl ist ein Wärmetransfermedium mit nied- rigem Schmelzpunkt bekannt, das eine Mischung von vier Nitra¬ ten umfasst. Als Hauptbestandteil liegt in der Mischung Kali¬ umnitrat vor. From US 7,588,694 Bl a heat transfer medium with low fuel melting point is known, comprising a mixture of four Nitra ¬ th. Is present Kali ¬ umnitrat as the main ingredient in the mix.
Aus der EP 0 049 761 AI ist ein ternäres Gemisch mit kris- tallwasserhaltigem Calciumnitrat als Wärmetransfermedium bekannt . EP 0 049 761 A1 discloses a ternary mixture with crystalline calcium nitrate as heat transfer medium.
Aus der US 2012/0056125 AI ist ein extrem niedrig schmelzendes Wärmetransfermedium auf Nitratbasis bekannt, zumindest ein ternäres Gemisch von vier verschiedenen Nitraten, zumindest aber Kalium- und Lithiumnitrat umfassend, bekannt. From US 2012/0056125 AI is known an extremely low melting heat transfer medium nitrate-based, at least a ternary mixture of four different nitrates, but at least potassium and lithium nitrate known.
Aus der WO 2014044652 AI ist ein Wärmetransfermedium basierend auf einem Doppelsalz aus Calcium- und Kaliumnitrat be- kannt . From WO 2014044652 Al a heat transfer medium based on a double salt of calcium and potassium nitrate is known.
Aus der WO 2015043810 AI ist ein Wärmespeichermedium basierend auf einem Doppelsalz aus Kalium-Calciumnitrat und einem Natriumnitrat bekannt, das gegebenenfalls kristallwasserhal- tig in solarthermischen Kraftwerksanlagen einsetzbar ist. WO 2015043810 A1 discloses a heat storage medium based on a double salt of potassium calcium nitrate and a sodium nitrate, which can optionally be used in solar thermal power plants in the presence of water of crystallization.
Nachteilig an den bisher bekannten Wärmetransfer- und/oder Wärmespeichermedien auf Nitratbasis ist der hohe Kaliumanteil, der wie oben ausgeführt, bei kostengünstiger Verfügbar- keit die Gefahr von korrosiven Schäden an der Anlage in sich birgt. Bislang wird in CSP-Fachkreisen Hauptaugenmerk auf die niedrigst-schmelzende Formulierung eines Salzgemisches, ins¬ besondere auch im Hinblick auf die mögliche Verwendung als Wärmetransfermedium, also anstelle der herkömmlich verwende- ten Thermoöle, gelegt. A disadvantage of the previously known nitrate-based heat transfer and / or heat storage media is the high potassium content, which, as explained above, with cost-effective availability, entails the risk of corrosive damage to the installation. In CSP experts so far will focus on the lowest-melting formulation of a salt mixture into ¬ particular with regard to the possible use as a heat transfer medium, so instead of conventionally verwende- th thermal oils laid.
Daher besteht der Bedarf, weitere, bislang für die Speichertechnologie solarthermischer Kraftwerkstechnik unbekannte Salzgemische auf Nitratbasis zur Verfügung zu stellen, die wegen der Korrosionsgefahr in den Kraftwerksanlagen möglichst chloridarm und günstig erhältlich sind und trotzdem bezüglich ihrer Liquidustemperatur und/oder ihrer thermischer Stabili- tät als Speichermedium in solarthermischen Kraftwerken, wie oben beschrieben, einsetzbar sind. Therefore, there is a need for further, previously unknown for the storage technology solar thermal power plant technology Nitrate-based salt mixtures are available which, owing to the risk of corrosion in the power plants, are as low-chloride and inexpensive as possible and nevertheless can be used as storage medium in solar thermal power plants, as described above, with regard to their liquidus temperature and / or their thermal stability.
Die Verwendung von Nitritgemischen in Kombination oder als Ersatz der Nitrat-basierten Salzgemische für Wärmespeicherme- dien ist nachteilig, weil Nitritgemische giftig sind und un¬ ter Luft und/oder Sauerstoff leicht zu den jeweiligen Nitra¬ ten abreagieren, was mit einer Veränderung der thermophysika- lischen Eigenschaften einhergeht und daher im Solarkraftwerksbetrieb nicht tolerierbar ist. The use of nitrite mixtures in combination or as a replacement of nitrate-based salt mixtures for Wärmespeicherme- is serving disadvantageous because nitrite mixtures are toxic and easily react un ¬ ter air and / or oxygen to the respective Nitra ¬ th, which with a change in the thermophysical properties and therefore can not be tolerated in solar power plant operation.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er¬ findung, wie er in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart wird, gelöst. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Wärmespeichermedium für solartechnische Kraftwerksanlagen auf Nitratbasis, dadurch gekennzeichnet, dass Nitrate der Alkali- und Erdalkaligruppe so kombiniert werden, dass ein möglichst geringer Anteil an Kaliumnitrat resultiert und trotzdem eine Liquidustemperatur von 270°C, insbesondere 250°C, besonders bevorzugt von 230°C nicht überschritten wird. This object is achieved by the subject matter of the present ¬ invention as disclosed in the description, the claims and the figures. The subject of the present invention is therefore a heat storage medium for solar power plants based on nitrate, characterized in that nitrates of the alkali and alkaline earth group are combined so that the smallest possible proportion of potassium nitrate results and still a liquidus temperature of 270 ° C, in particular 250 ° C, particularly preferably of 230 ° C is not exceeded.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass unter den Kationen der Alkali- und Erdalkaligruppe technisch und wirt- schaftlich sinnvoll nur ein Salzgemisch mit zumindest unge¬ fähr 5Mol%Calciumnitrat , insbesondere in Abmischung mit Nat¬ riumnitrat als Wärmespeichermedium einsetzbar ist. Beimengungen anderer Nitrate aus der Gruppe wie beispielsweise Cäsium- Barium-Kalium-Strontium-Lithium-Kationen sind sinnvoll, je- doch teuer. Die weiteren Kationen aus der Gruppe sind entweder als Nitrate instabil im relevanten Temperaturbereich bis ca. 450°C, oder sonst wie wirtschaftlich/technisch unbrauchbar, also beispielsweise giftig. Kaliumnitratarme oder gar Kaliumnitratfreie Salzgemische auf Nitratbasis als Wärmespeichermedien sind bislang unbeschrie¬ ben, da in Fachkreisen von einer Dauergebrauchstemperatur von 565°C und darüber, wie sie in Parabolrinnen-Solarkraftwerken für dort eingesetzten Wärmetransfermedien, herrscht, ausgegangen wird. Bei lediglich als Wärmespeichermedium eingesetzten Salzgemischen entfällt diese Voraussetzung, vielmehr kann von einer Dauergebrauchstemperatur von maximal 450 °C ausge- gangen werden, so dass keine Stabilität des Salzgemisches oberhalb dieser Temperatur gefordert ist. Die maximale Ge¬ brauchstemperatur von Thermoölen, die in den hier betrachteten Solarthermischen Kraftwerksanlagen als Wärmetransfermedium eingesetzt werden, liegt ungefähr bei 400 °C bis 450°C, so dass ein reines Wärmespeichermedium in diesen Solarkraftwerksanlagen, die eben mit Thermoölen betrieben werden, keine Stabilität oberhalb dieser Temperatur aufweisen muss. General knowledge of the invention is that among the cations of the alkali and alkaline earth group technically and economically useful only a salt mixture with at least unge ¬ approximately 5Mol% calcium nitrate, especially in admixture with Nat ¬ nitrate is used as a heat storage medium. Additions of other nitrates from the group, such as cesium-barium-potassium-strontium-lithium cations, make sense, but are expensive. The other cations from the group are either unstable as nitrates in the relevant temperature range up to about 450 ° C, or otherwise as economically / technically useless, so for example toxic. Potassium nitrate arms or even potassium nitrate-free salt mixtures nitrate based as heat storage media are to unanswered shouted ¬ ben, as is understood in the art from a continuous operating temperature of 565 ° C and above, as for used there heat transfer media, prevails in parabolic trough solar power plants. In the case of salt mixtures used only as a heat storage medium, this requirement does not apply; rather, it is possible to start from a continuous service temperature of 450 ° C., so that no stability of the salt mixture above this temperature is required. The maximum Ge ¬ use temperature of thermal oils, which are used in the considered here solar thermal power plants as a heat transfer medium is approximately at 400 ° C to 450 ° C, so that a pure heat storage medium in these solar power plants, which are just operated with thermal oils, no stability above must have this temperature.
Als „Kaliumnitratfrei" wird vorliegend ein Salzgemisch be- zeichnet, das keine nennenswerten Mengen an Kaliumnitrat ent¬ hält, wobei bei technischen Salzen und Salzgemischen übliche Verunreinigungen mit Kalium, also beispielsweise Salzgemische mit Kaliummengen bis zu 0,5 Mol% hier auch noch als „Kaliumfrei" bezeichnet werden. Das kommt daher, dass hier techni- sehe Salzgemische eingesetzt werden und keine hochreinen Sal¬ ze, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik üblich sind. As "potassium nitrate-free" is in the present case a salt mixture is characterized loading which does not hold appreciable amounts of potassium nitrate ent ¬, wherein in case of technical salts and salt mixtures usual impurities with potassium, so as salt mixtures with potassium amounts up to 0.5 mol% here also as " Potassium free ". The reason is that this technical see salt mixtures are used and no high-purity Sal ¬ ze, as are common for example in medical technology.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden korrosionsfordernde Stoffe, wie Hydroxide, Carbonate, Haloge- nide und/oder Sulfate im Salzgemisch des Wärmespeichermedi¬ ums, direkt oder indirekt, vermieden. Als „direkt im Salzge¬ misch" wird eine Zugabe von Salzen dieser Anionen verstanden, wohingegen als „indirektes Vorhandensein" dieser Anionen im Salzgemisch wird bezeichnet, wenn die mögliche Abreaktion des Salzgemisches beispielsweise zu einem Hydroxid und/oder Car- bonat an Luft wahrscheinlich ist und/oder die Verunreinigung des Salzgemisches durch einen Herstellungsprozess eines im Wärmespeichermedium eingesetzten Salzes, der beispielsweise ein Halogenid, wie ein Chlorid, umfasst. According to a preferred embodiment of the invention corrosion-demanding substances such as hydroxides, carbonates, halides, halogens and / or sulfates in the salt mixture of the heat storage medium ¬ killed, directly or indirectly, be avoided. As being "directly in Salzge ¬ mixing" it is meant the addition of salts of these anions, whereas an "indirect presence" of these anions in the salt mixture is referred to when the possible reaction of the salt mixture carbonate for example, a hydroxide and / or carbonyl in air is likely and / or the contamination of the salt mixture by a manufacturing process of a Heat storage medium salt used, for example, a halide, such as a chloride comprises.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmespeichermedium zu mehr als 60 Mol%, insbesondere zu mehr als 70 Mol%, und besonders bevorzugt zu mehr als 90 Mol~6 ein binäres Salzgemisch aus Calciumnitrat und Natriumnitrat, kristallwasserfrei berechnet, kann aber kristallwasserhaltig sein . According to a preferred embodiment of the invention, the heat storage medium to more than 60 mol%, in particular more than 70 mol%, and particularly preferably more than 90 mol ~ 6 a binary salt mixture of calcium nitrate and sodium nitrate, calculated free of water of crystallization, but can be containing water of crystallization.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmespeichermedium ein binäres Salzgemisch aus Calcium- und Natriumnitrat, kristallwasserhaltig oder kristallwasserfrei. Es kann vorgesehen sein, dass im Salzgemisch Kalium Mengen kleiner 40 Mol%, insbesondere kleiner 30 Mol%, besonders be¬ vorzugt kleiner 5 Mol% enthalten ist. According to a preferred embodiment of the invention, the heat storage medium is a binary salt mixture of calcium and sodium nitrate, containing water of crystallization or free of water of crystallization. It can be provided that the salt mixture contained potassium amounts less than 40 mol%, in particular less than 30 mol%, particularly be less than 5 mol% ¬ vorzugt.
Dabei ist bevorzugt, dass das Verhältnis von Kalium zu Calci- um Ionen im Salzgemisch wie 1 zu 6 oder größer ist, also beispielsweise 1 zu 7 bis hin 1 zu 999 oder mehr, das heißt bei der Analyse des als Wärmespeichermedium eingesetzten Salzgemisches kommt auf 999 Calcium-Ionen nur ein einziges Kalium- Ion oder noch weniger Kalium-Ionen. Insbesondere ist nicht vorgesehen, dass mehr Kalium- als Calcium-Ionen im Wärmespeichermedium enthalten sind. It is preferred that the ratio of potassium to calcium ions in the salt mixture is 1 to 6 or greater, ie for example 1 to 7 to 1 to 999 or more, that is to say 999 in the analysis of the salt mixture used as the heat storage medium Calcium ions only a single potassium ion or even less potassium ions. In particular, it is not provided that more potassium than calcium ions are contained in the heat storage medium.
Die entsprechenden Gew% ergeben sich aus den Mol% über die molaren Massen der jeweiligen Verbindungen, bei denen die Gew% in Gramm angegeben ist. Es ergibt sich dann der so genannte Molenbruch, der in der Regel zwischen 0 und 1 liegt und für die Angabe in Prozent noch mit 100 multipliziert wird . Figur 1 zeigt die Liquiduskurve des binären Salzgemisches Ca(N03)2 _ NaNÜ3. Die binäre, eutektische Mischung mit 53,6 Gew.-% bzw. 69 mol% NaN03 und 46,4 Gew.-% bzw. 31 mol% The corresponding% by weight results from the mol% over the molar masses of the respective compounds, in which the Gew% is indicated in grams. This results in the so-called mole fraction, which is usually between 0 and 1 and is still multiplied by 100 for the indication in percent. Figure 1 shows the liquidus of the binary salt mixture Ca (N03) 2 _ NaNÜ3. The binary, eutectic mixture with 53.6% by weight or 69 mol% NaNO 3 and 46.4% by weight or 31 mol%
Ca(N03)2 hat einen Schmelzpunkt von ca. 233°C und damit eine sehr niedrige Erstarrungstemperatur. Sie ist Kaliumnitrat- frei und zeigt aufgrund des hohen Natriumnitrat-Anteils eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität. Dies insbesondere deshalb, da die spezifische Wärmekapazität im flüssigen Zu- stand bei 400°C von Kaliumnitrat, über Natriumnitrat hin zu Lithiumnitrat in der Alkaligruppe nach oben hin stark zunimmt und Natrium bekanntermaßen im Periodensystem der Elemente (PSE) oberhalb von Kalium liegt (LiN03: 2.04 J/ (gK) , NaN03 : 1.63 J/(gK), KN03: 1.38 J/ (gK) ) . Ca (NO 3) 2 has a melting point of about 233 ° C and thus a very low solidification temperature. It is potassium nitrate-free and shows a relatively high specific heat capacity due to the high sodium nitrate content. This is particularly the case since the specific heat capacity in the liquid state at 400 ° C. of potassium nitrate, over sodium nitrate towards lithium nitrate in the alkali group increases sharply and sodium is known to be above potassium in the Periodic Table of the Elements (PSE) (LiNO 3 : 2.04 J / (gK), NaN0 3 : 1.63 J / (gK), KN0 3 : 1.38 J / (gK)).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist deshalb vorgesehen, einen besonders hohen Natriumnitrat- Anteil in der Salzmischung für das Wärmespeichermedium anzustreben. Zwar ist die spezifische Wärmekapazität von flüssi- gern Calciumnitrat , der zweiten Komponente des betrachteten, binären Eutektikums — diesem Trend folgend — geringer, als die des Kaliumnitrats (0.95 J/gK), jedoch ist die spezifische Dichte eben dort am höchsten. Als vorteilhaft erweisen sich in diesem Zuge auch die jewei¬ ligen Volumenänderungen der Alkali- und Erdalkalinitrate beim Schmelzen. So ist die Volumenzunahme des Natriumnitrats beim Schmelzen +10.7%, die des Kaliumnitrats +3.3% und die des Calciumnitrats ca. +10%. According to an advantageous embodiment of the invention, it is therefore envisaged to aim for a particularly high proportion of sodium nitrate in the salt mixture for the heat storage medium. Although the specific heat capacity of liquid calcium nitrate, the second component of the considered binary eutectic - following this trend - is lower than that of potassium nitrate (0.95 J / gK), the specific density is highest there. Advantageous also jewei ¬ time volume changes of the alkali and alkaline earth prove in this course on melting. Thus, the volume increase of sodium nitrate during melting is + 10.7%, that of potassium nitrate + 3.3% and that of calcium nitrate approx. + 10%.
Da Kaliumnitrat im festen Zustand die geringste spezifische Dichte (2.11 g/cm3), Natriumnitrat mittlere (2.26 g/cm3) und Calciumnitrat die höchste (2.46 g/cm3) besitzt, folgt daraus, dass eine flüssige Salzmischung als Wärmespeichermedium, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das binäre Salzgemisch aus Calcium- und Natriumnitrat ist und/oder dabei einen hohen Anteil Natriumnitrat sowie einem geringeren Anteil Calciumnitrat umfasst, eine Nivellierung der volumet- rischen Energiespeicherdichte stattfindet, da die Absenkung der spezifischen Gesamtwärmekapazität durch den Calcium- nitrat-Anteil aufgrund der höheren Dichte des Calciumnitrats teilweise kompensiert wird. So besitzt die binäre, eutektische Salzmischung aus 53.55 Gew.-% Natriumnitrat und 46.45 Gew.-% Calciumnitrat im flüs¬ sigen Zustande von 290°C-390°C eine für die Anwendung als Wärmespeichermedium ausreichende volumetrische Energiespei- cherkapazität in [kJ/m3K], ist ein binäres Salzgemisch und damit leicht und günstig herstellbar. Beispielsweise im Ver¬ gleich mit dem herkömmlichen „Solarsalz" aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat, das momentan auf dem Markt als Wärmespeichermedium für Solarthermische Kraftwerke, die mit Thermoöl betrieben werden, eingeführt ist, ergibt sich bei dem hier angestrebten Kaliumfreien oder zumindest Kaliumarmen Salzgemisch, dass Solarsalz bei 400°C eine spezifische Wärmekapazität von 1.52 kJ/kg-K, bei einer Dichte von 1820 kg/m3 hat. Dies entspricht für die Temperaturspanne von 290-390°C einer gespeicherten Energie von ca. 277 MJ/m3. Für die eutektische NaN03-Ca (NO3) 2-Mischung ergibt sich die Spei¬ cherung von 270 MJ/m3 fühlbarer Wärme, was etwa 97.5% des So- larSalt-Niveaus entspricht. Durch Verwendung einer nicht- eutektischen Mischung mit erhöhtem Calciumnitrat-Anteil, die sodann einen mit dem Solarsalz vergleichbaren Schmelzpunkt besitzt, also 238°C oder höher, statt 233°C, ist es möglich, eine praktisch volumetrisch identisch speicherfähige Formulierung aus dem binären Salzgemisch Ca(NC>3)2 _ NaNC>3 zu erhal¬ ten . Since potassium nitrate in the solid state has the lowest specific gravity (2.11 g / cm 3 ), sodium nitrate medium (2.26 g / cm 3 ) and calcium nitrate the highest (2.46 g / cm 3 ), it follows that a liquid salt mixture as a heat storage medium, the According to a preferred embodiment of the invention, the binary salt mixture of calcium and sodium nitrate and / or it comprises a high proportion of sodium nitrate and a lower proportion of calcium nitrate, a leveling of volumetric energy storage density takes place, since the reduction of the specific total heat capacity by the calcium Part is partially compensated due to the higher density of calcium nitrate. So has the binary eutectic salt mixture of 53.55 wt .-% of sodium nitrate, and 46.45 wt .-% calcium nitrate in FLÜS ¬ sigen condition of 290 ° C-390 ° C sufficient for use as a heat storage medium volumetric energy store cherkapazität in [kJ / m 3 K], is a binary salt mixture and thus easy and inexpensive to produce. For example, in United ¬ equal to the conventional "solar salt" of 60 wt .-% of sodium nitrate and 40 wt .-% of potassium nitrate, which is currently introduced on the market as a heat storage medium for solar thermal power plants, operated with thermal oil, resulting in the here potassium-free or at least low-potassium salt mixture, that solar salt at 400 ° C has a specific heat capacity of 1.52 kJ / kg-K, at a density of 1820 kg / m 3. This corresponds to a stored energy for the temperature range of 290-390 ° C. of about 277 MJ / m 3. For the eutectic NaN03-Ca (NO 3) 2 mixture results in the SpeI ¬ assurance of 270 MJ / m 3 of sensible heat, which corresponds to about 97.5% of the solar larSalt levels. by Using a non-eutectic mixture with increased calcium nitrate content, which then has a comparable melting point with the solar salt, ie 238 ° C or higher, instead of 233 ° C, it is possible to use a virtually volumetrically identical spe icherfähige formulation of the binary salt mixture Ca (NC> 3) 2 _ NaNO> 3 to preserver ¬ th.
Die dynamische Viskosität ist aufgrund des Calciumnitrats ge¬ ringfügig höher als die des Solarsalts, wie in Figur 2 ge¬ zeigt ist. Figur 2 zeigt die dynamische Viskosität von Solar¬ salz und dem Na-Ca/Nitrat-Eutektikum im relevanten Tempera- turbereich von 290°C (ca. 9 mPa-s) bis 390°C (ca. 4 mPa-s). The dynamic viscosity is due to the calcium nitrate ge ¬ slightly higher than that of the solar Salts such as Ge in Figure 2 shows ¬ is. Figure 2 shows the dynamic viscosity of solar ¬ salt and the Na-Ca / nitrate eutectic in the relevant temperature range of 290 ° C (about 9 mPa-s) to 390 ° C (about 4 mPa-s).
Absolut unterscheiden sich die Viskositätswerte demnach le¬ diglich um fünf (290°C) bzw. zwei mPa-s was für gängige Salzpumpen, z.B. des Typs Tauchpumpe, keinen Wechsel eines Designs und/oder einer Pumpleistung erfordert. In absolute terms, the viscosity values differ accordingly le ¬ diglich to five (290 ° C) or two mPa.s requires that for common salt pumps, for example of the type submersible pump, no change of a design, and / or a pump power.
Das binäre Natriumnitrat-Calciumnitrat-Salzgemisch unterscheidet sich vom SolarSalt im Wesentlichen durch die Verwen- dung des Calciumnitrats anstelle des Kaliumnitrats. Diese Komponente wird größtenteils als Tetrahydrat der chemischen Formel Ca ( NO3 ) 2 ' H2O (sog. „Norwegensalpeter") kommerziell an¬ geboten und stellt ein im Vergleich zu Kaliumnitrat relativ günstiges Material dar (ca. 50-60% des Preises von KNO3 ) . Bei der Bereitung binärer Na-Ca/Nitratschmelzen wird im The binary sodium nitrate-calcium nitrate salt mixture differs from SolarSalt mainly in the use of calcium nitrate instead of potassium nitrate. This component is mostly commercially available as a tetrahydrate of the chemical formula Ca (NO 3 ) 2 H 2 O (so-called "Norway Salpeter ") and represents a relatively inexpensive material compared to potassium nitrate (about 50-60% of the price of KNO 3 ). In the preparation of binary Na-Ca / nitrate melts, in
Premelterprozess , bei dem die beiden Salzkomponenten für gewöhnlich bei ca. 300°C erst- und einmalig zusammengeschmolzen und in den kalten Speichertank gepumpt werden, dieser Kris- tallwasseranteil des Calciumnitrats ausgetrieben. Dies stellt einen gut handhabbaren, bei 110°C beginnenden und bei 250- 300°C abgeschlossenen Vorgang dar. In Figur 3 wird entsprechend das Austreibeverhalten, untersucht mittels dynamischer Differenzkalorimetrie, gezeigt. Premelterprozess, in which the two salt components are usually first and once melted together at about 300 ° C and pumped into the cold storage tank, expelled this crystalline water content of calcium nitrate. This represents an easily manageable process beginning at 110 ° C. and concluded at 250 ° -300 ° C. In FIG. 3, the expulsion behavior investigated by means of differential scanning calorimetry is correspondingly shown.
Figur 3 zeigt das Aufheizverhalten der kristallwasserhaltigen Mischung aus Calciumnitrat-Tetrahydrat und Natriumnitrat, die das wasserfreie Eutektikum bei Erhitzen auf 300°C ergibt, un¬ ter Angabe der Enthalpien (oben) , zweites Aufschmelzen der einmalig entwässerten Mischung mit Nachweis der Bildung des Eutektikums mit Schmelzpunkt 230°C (Mitte) sowie des Erstar¬ rungsverhaltens beim Abkühlen (unten) . Figure 3 shows the heating behavior of the crystal water-containing mixture of calcium nitrate tetrahydrate and sodium nitrate, which yields the anhydrous eutectic when heated to 300 ° C, un ¬ ter indicate the enthalpies (above), second melting of the unique dehydrated mixture with evidence of formation of the eutectic with melting point 230 ° C (center) and the Erstar ¬ approximately behavior during cooling (below).
Der reine Austrieb des Kristallwassers ab 50°C (nach dem Schmelzen des Calciumnitrat-Tetrahydrats ) bis 350°C benötigt demnach 392 Jg-1, das Erhitzen des kristallwasserhaltigen, binären Gemenges aus NaNÜ3 und Ca ( NO3 ) 2 ' H2O ab Raumtemperatur bis 400°C ca. 611 Jg-1. Aus diesen Enthalpiewerten lässt sich die nötige Energie ableiten, die zum Erhitzen ab Raumtempera- tur und Austrieb des Kristallwasseranteils also beispielswei¬ se 16.9 Gew.-% der Gesamtformulierung, d.h. 1203.4 kg kris- tallhaltige Mischung ergeben 1000 kg kristallwasserfreie Salzmischung, einer kristallwasserfreien Tonne der eutekti- schen Mischung, erstmalig und einmalig, nötig ist: The pure expulsion of the crystal water from 50 ° C (after melting the calcium nitrate tetrahydrate) to 350 ° C therefore requires 392 Jg -1 , the heating of the crystal water-containing, binary mixture of NaNÜ 3 and Ca (NO 3 ) 2 'H 2 O. from room temperature up to 400 ° C approx. 611 Jg -1 . From these enthalpy values, the necessary energy to the heating from Raumtempera- structure and expulsion of the crystal water content so beispielswei ¬ se 16.9 wt .-% of the total formulation, ie 1203.4 kg give crys- tallhaltige mix 1000 kg crystal anhydrous salt mixture, a crystal-water-free tonne can be derived, eutectic mixture, for the first time and once, is necessary:
611 Jg-1 · 1203370 g = 736 MJ pro wasserfreier Tonne Salzmi¬ schung . Mit der Umrechnung von Joule im Wh ergeben sich 611 Jg -1 · 1,203,370 g = 736 MJ per ton of anhydrous Salzmi ¬ research. With the conversion of Joule in the Wh arise
736 MJ / 3600 JW_1h_1 = 205 kWh pro Tonne. Da Premeiteranlagen vor Ort per Erdgas betrieben werden, kann die nötige Energie für eine Tonne der kristallwasserhaltigen Mischung in mmBTU-Erdgaseinheiten (1 mmBTU ~ 293.071 kWh) bestimmt werden zu 205 kWh / 293.071 kWh/mmBTU = 0.7 mmBTU pro wasserfreier Tonne . 736 MJ / 3600 JW _1 h _1 = 205 kWh per ton. As premaster plants are operated on-site using natural gas, the energy required to produce one ton of the mixture containing water of crystallization in mmBTU natural gas units (1 mmBTU ~ 293,071 kWh) can be determined to be 205 kWh / 293,071 kWh / mmBTU = 0.7 mmBTU per anhydrous tonne.
Mit einem angenommenen Preis von ca. 2.08 US-$ per mmBTU- Einheit, wie er im Januar 2016 vorlag, ergibt sich damit ein Aufwand für das nötige Erdgas von ca. $ 50000 für 34500 Ton¬ nen kaliumnitratfreie Na-Ca/Nitrat-Speichersalzmischung, die einen Energieinhalt von ca. 1400 MWhhermisch und einem Ein- /Ausspeicher-AT von 100 Kelvin umfassen und somit den Power- Block eines Kraftwerks der Größe 100 MWeiektrisch ca. sechs Stunden mit Energie versorgen können. With an assumed price of about 2:08 US- $ per mmBTU- unit as it stood in January 2016, this results in a cost of the necessary natural gas of about $ 50,000 for 34,500 Ton ¬ nen potassium nitrate-free Na-Ca / nitrate storage salt mixture comprising an energy content of about 1400 MWhhermisch and an input / aT the Withdrawal of 100 Kelvin and thus can provide e ktrisch about six hours under the power of a power plant block size of 100 MW i e.
Auch ist es möglich und besonders vorteilhaft, wasserfreies oder teilentwässertes Calciumnitrat einzusetzen, da dann das Austreiben des Kristallwasseranteils wegfällt bzw. der Auf- wand deutlich reduziert ist. It is also possible and particularly advantageous to use anhydrous or partially dewatered calcium nitrate, since then the expulsion of the proportion of water of crystallization is eliminated or the effort is significantly reduced.
Relevant kann beispielsweise sein, dass die verwendete For example, it can be relevant that the used
Calciumnitratkomponente besonders wenig an Ammoniumnitrat- Verunreinigung enthält, da dieses bei starker Erhitzung zur Zersetzung neigt. Aus diesem Grunde ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Ammoniumnitratanteil der NaN03~Ca (NO3) 2~Schmelze geringer als 0.5 Gew.-%, bevorzugt geringer als 0.3 Gew.-% ist. Ebenfalls ist es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Chloridgehalt so niedrig wie möglich sein, um die Korrosionsneigung so gering wie möglich zu halten, nach einer vorteilhaften Ausführungsform unterhalb 0.05 Gew.-%. Calcium nitrate component contains very little of ammonium nitrate impurity, since this tends to decompose on strong heating. For this reason, according to one embodiment of the invention, it is provided that the ammonium nitrate content of the NaNO 3 Ca (NO 3) 2 melt is less than 0.5% by weight, preferably less than 0.3% by weight. It is also provided according to a further embodiment of the invention that the chloride content should be as low as possible in order to minimize the tendency to corrode to keep, according to an advantageous embodiment below 0.05 wt .-%.
Zudem ist es möglich, ausgehend von binären Natriumnitrat- Calciumnitrat-Mischungen, insbesondere nahe des binären Nat- riumnitrat-Calciumnitrat-Eutektikums , ternäre und höhere For¬ mulierungen durch Abmischung mit weiteren Alkali- und Erdalkalinitraten, insbesondere Lithiumnitrat zu verwenden, um die Endeigenschaften der Salzschmelze, z.B. die spezifische Wär- mekapazität, die volumetrische Energiespeicherdichte, die spezifische Dichte, die dynamische Viskosität und/oder die Kosten weiter zu optimieren. It is also possible, starting from binary sodium nitrate, calcium nitrate mixtures, in particular close to the binary NAT riumnitrat calcium nitrate eutectic ternary and to use higher For ¬ formulations by admixture with other alkali metal and alkaline earth metal nitrates, in particular lithium nitrate, the final properties of the Molten salt, eg the specific heat capacity, the volumetric energy storage density, the specific density, the dynamic viscosity and / or the costs to further optimize.
Zugleich sei unterstrichen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung derartige Mischungen auf Basis der Mischung Natri- umnitrat-Calciumnitrat und ggf. weiteren Additiven, im Fokus der Verwendung als Energiespeichersalze für ölbasierte At the same time, it should be emphasized that in the context of the present invention, such mixtures based on the mixture of sodium nitrate calcium nitrate and optionally further additives are in focus of use as energy storage salts for oil-based
Parabolrinnenkraftwerke im Bereich von ca. 280°C bis 400°C stehen und nicht als Wärmetransfermedien Verwendung finden sollen. Beispielsweise kann die Basismischung Natriumnitrat und wasserfreies Calciumnitrat , insbesondere nahe des binären Eutektikums, d.h. im Bereich 60-75 mol% a 03 sowie 25-40 mol% Ca( 03)2 haben, jedoch kann es zur Optimierung der Ei¬ genschaften als Wärmespeichermedium zielführend sein, besagte binäre Basismischung mit Alkali- und Erdalkalinitraten, insbesondere Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Rubidiumnitrat, Stron¬ tiumnitrat und Bariumnitrat, zu ternärisieren, quaternäri- sieren oder quinärisieren . Im Falle, dass im Betrieb des Wärmespeichermediums Temperatu¬ ren unterhalb 400°C, beispielsweise maximale Einspeicher¬ temperaturen im Bereich unterhalb 350°C, insbesondere unter¬ halb 300°C, am bevorzugtesten unterhalb von 200°C, zum Einsatz kommen, werden beispielsweise Magnesium-, Aluminium- und/oder Zinknitrat, die in diesen Temperaturbereichen zersetzungsfrei dehydratisierbare Nitrate bilden, als Additive des binären Nitratsalzgemisches aus Calcium- und Natriumnit¬ rat zugesetzt. Beispielhaft sind in Abbildungen 6-9 die mit FactSage 6.1 be¬ rechneten Liquidustemperaturproj ektionen ternärer Mischungen aus der kontinuierlichen Basismischung NaN03~Ca (NO3) 2 und den Nitraten Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat und Stron¬ tiumnitrat gezeigt. Parabolic trough power plants are in the range of about 280 ° C to 400 ° C and should not be used as heat transfer media. For example, the base mixture of sodium nitrate and anhydrous calcium nitrate, in particular close to the binary eutectic, that is in the range 60-75 mol% a 03 and 25-40 mol% Ca (03) 2 have, however, it can be used to optimize the egg ¬ properties purposeful as a heat storage medium be said binary base mixture with alkali and Erdalkalinitraten, in particular lithium nitrate, potassium nitrate, rubidium nitrate, Stron ¬ tiumnitrat and barium nitrate, to ternarise, quaternarize or quinitize. In the event that during operation of the heat storage medium tempera ¬ ren below 400 ° C, such as maximum supply Injection ¬ temperatures in the range below 350 ° C, in particular below ¬ semi-300 ° C, bevorzugtesten at below 200 ° C, are used, for example, Magnesium, aluminum and / or zinc nitrate, which form decomposition-free dehydratable nitrates in these temperature ranges, added as additives of the binary Nitratsalzgemisches of calcium and Natriumnit ¬ rat. Are exemplified in Figures 6-9 with the FactSage 6.1 ¬ be calculated Liquidustemperaturproj ections ternary mixtures of the continuous base mixture NaN0 3 ~ Ca (NO 3) 2 and the nitrates of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate and Stron ¬ tiumnitrat shown.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen berechnete Liquidustemperatur- Projektionen ternärer Mischungen aus der Basismischung Figures 4 to 7 show calculated liquidus temperature projections of ternary mixtures of the base mixture
Ca(NC>3)2 _ NaNC>3 und den Nitraten Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat und Strontiumnitrat. Ca (NC> 3) 2 _ NaNC> 3 and the nitrates lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate and strontium nitrate.
Die Nitrate Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat und Strontiumnitrat werden gemäß einer bevorzugten Ausführungs- form der Erfindung zu dem Ca(N03)2 _ NaN03-Salzgemisch zur Herstellung des Wärmespeichermediums in einer Menge im Be¬ reich von 0,001 bis 40 Mol%, insbesondere in einer Menge von 0,01 bis 20 Mol% und insbesondere bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 10 Mol% zugegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die jeweilige konkrete Salzmi¬ schung auf Basis des binären Salzgemisches Calcium-Natrium- nitrat, ergeben sich für den Fachmann in naheliegender Weise aus den hier gezeigten Diagrammen. Als Basismischung aus Ca(N03)2 _ NaNÜ3 hat sich eine Salzmi¬ schung von 30 bis 95 Mol% NaN03, insbesondere von 60Mol% bis 95Mol% und 5 bis 70 Mol% Ca(N03)2, insbesondere von 5 bis 45 Mol%, erwiesen. Bevorzugt ist natürlich das eutektische Gemisch Ca(N03)2 _ Na- NO3 mit 69 mol% Natriumnitrat NaNÜ3 und 31 mol% kristallwas¬ serfreiem Calciumnitrat Ca(N03)2 mit bis zu 10 mol% an The nitrates of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate and strontium nitrate are according to a preferred execution of the invention form to the Ca (N03) 2 _ NaN03 salt mixture for the preparation of the heat storage medium in an amount Be ¬ ranging from 0.001 to 40 mol%, in particular in a Amount of 0.01 to 20 mol%, and particularly preferably in an amount of 0.1 to 10 mol% added. Advantageous embodiments of the invention with respect to the respective concrete Salzmi ¬ research on the basis of the binary salt mixture of calcium, sodium nitrate, will become apparent to the skilled person in an obvious manner from the results shown here diagrams. As a base mixture of Ca (N03) 2 _ NaNÜ3 has a Salzmi ¬ research from 30 to 95 mol% NaN03, in particular 60Mol% to 95Mol% and 5 to 70 mol% Ca (N0 3) 2, in particular from 5 to 45 mol %, proven. Preferably, of course, the eutectic mixture is Ca (N03) 2 _ Na NO 3 with 69 mol% sodium nitrate and 31 mol% 3 NaNÜ kristallwas ¬ serfreiem calcium nitrate Ca (N03) 2 with up to 10 mol% of
Nitratadditiv, sowie dieser Mischung für den hier zuständigen Fachmann solarthermischer Kraftwerksanlagen naheliegende Salzgemische. Nitrate additive, and this mixture for the responsible here expert solar thermal power plants obvious salt mixtures.
Durch die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehene Zugabe von Nitraten, wie oben ausgeführt, entstehen zumindest ternäre, also dreikomponentige Salzmi¬ schungen, die bevorzugt 60-75 mol% (43.5-61 Gew.-%) a 03 so¬ wie 25-40 mol% (39-56.5 Gew.-%) Ca(N03)2 und 0.001-10 mol%, also beispielsweise 6-22 Gew.-%, zumindest eines Additives aus der Gruppe Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Rubidiumnitrat, Cäsiumnitrat, Magnesiumnitrat, Strontiumnitrat und/oder By the addition of nitrates provided according to an exemplary embodiment of the invention, as stated above, arise at least ternary, so three-component mixtures Salzmi ¬ which preferably 60-75 mol% (43.5-61 wt .-%) a 03 so as ¬ 25-40 mol% (39-56.5 wt .-%) Ca (N0 3) 2 and 0.001-10 mol%, so for example 6-22 wt .-%, of at least one additive from the group lithium nitrate, potassium nitrate, rubidium nitrate, cesium nitrate, magnesium nitrate, strontium nitrate and / or
Bariumnitrat umfassen. Bevorzugt sind dadurch im Temperaturbereich 280-400°C flüssige, sensibel ent- und beladbare ther¬ mische Energiespeichersalze für thermoölbasierte Solar- thermiekraftwerksanlagen, insbesondere des Typs Parabolrinne, erhältlich . Barium nitrate include. Characterized 280-400 ° C are thermiekraftwerksanlagen liquid, sensible unloading, loadable ther ¬ mix energy storage salts for thermo oil-based solar preferably in the temperature range, in particular of the type parabolic trough available.
Die Solarthermie als ökologische Form der Energieerzeugung, die bislang als einzige Technologie ebenso in Form von später abrufbarer Wärme im TES-System zunehmend wirtschaftlicher speichern kann, gerät in Bezug auf chloridfreies Kaliumnitrat zusehends in Konkurrenz mit der Agrarindustrie und damit so- zioökonomische Bedrängnis. Deshalb sollte der Wechsel zu ei¬ nem Kaliumnitratfreien Wärmespeichermedium für Thermoölba- sierte Solarkraftwerksanlagen gefördert werden. Insbesondere in ärmeren, aber sonnenintensiven Erdteilen, allen voran Afrika, die faktisch für die nachhaltige Stromproduktion durch solarthermische Kraftwerksanlagen prädestiniert wären, kann der jeweiligen Bevölkerung die Verwendung großer Mengen Dün- gemitteis zur Energiespeicherung anstatt für den Anbau von Futter- und Lebensmitteln ggf. schwerlich vermittelt werden und zu Unruhen oder gar Angriffen auf die Kraftwerksanlage führen, insbesondere in entlegenen Gegenden. Nüchtern von der ökonomischen Seite betrachtet, ist es für einen Anbieter so- larthermischer Kraftwerksanlagen immer attraktiv, Kosten einzusparen, um einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen. Da das TES-System bzw. das nötige Solarsalt zur mehrstündigen Ener- gieeinspeicherung in einer CSP-Anlage bei üblichen Baugrößen (50-100 MWeiektrisch) einen zweistelligen, bei extrem großen An- lagen (um 200-1000 MWeiektrisch) einen dreistelligen Millionen¬ betrag ausmacht, sind Einsparungen im Bereich von einigen wenigen Prozent schon signifikant und vorteilssichernd. Ein weiterer Vorteil eines Wärmespeichermediums gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass Calciumnitrat-haltige Salz¬ mischungen bekanntermaßen Korrosionsinhibitoren bzgl. gängiger Stähle sind. Solar thermal energy as an ecological form of energy production, which so far is the only technology that can store heat in the TES system in the form of heat that can be called later, is increasingly in competition with the agroindustry in terms of chloride-free potassium nitrate and thus socio-economic distress. Therefore, the change to ei ¬ nem potassium nitrate outdoor heat storage medium for Thermoölba- catalyzed solar power plants should be encouraged. In particular in poorer, but sun-intensive parts of the world, especially Africa, which would in fact be predestined for the sustainable production of electricity by solar thermal power plants, the use of large quantities of fertilizers for energy storage may be difficult for the respective population to mediate instead of cultivating feed and food and cause unrest or even attacks on the power plant, especially in remote areas. Looking soberly from the economic point of view, it is always attractive for a provider of solar thermal power plants to save costs in order to gain a competitive advantage. Since the TES system or the required solar energy for several hours of energy storage in a CSP plant with conventional sizes (50-100 MWeektrisch) a two-digit, in extremely large systems (by 200-1000 MW e i e ctrisch) one three-digit million amount ¬ accounts, savings in the range of a few percent are already significant and beneficial locking. A further advantage of a heat storage medium according to the present invention that calcium nitrate-containing salt mixtures ¬ known corrosion inhibitors with respect. Steels are common.
Vorteilhafterweise ist das Erstarrungsverhalten der hier erstmals als Wärmespeichermedien für Solarthermische Kraft¬ werke auf Thermoölbasis beschriebenen Salzmischungen, da zum einen der Erstarrungspunkt niedrig liegt und Calciumnitrat selbst bekanntermaßen als Unterkühler fungiert und die Erstarrung bei Unterschreiten der eigentlichen Erstarrungstemperatur der Mischung eine Zeit lang retardiert. Advantageously, the solidification behavior of the salt mixtures for the first time described here as heat accumulators for solar thermal power ¬ works on thermal oil-based, firstly because of the freezing point is low and calcium nitrate itself known to act as a cooler and retarded solidification falls below the actual solidification temperature of the mixture for a time.
Die thermische Stabilität der wasserfreien, hier erstmals als Wärmespeichermedien für Solarthermische Kraftwerke auf Ther¬ moölbasis beschriebenen Salzmischungen wurde mittels thermo- gravimetrischer Analyse bei sehr geringen Heizraten (1 K/min) von 290°C bis 400° ohne Masseverlust nachgewiesen und erlaubt somit die Verwendung der Salzmischung über Jahre bzw. Jahrzehnte nahezu ohne Nachfüllbedarf und/oder Aufreinigung . The thermal stability of the anhydrous, here for the first time as a heat storage medium for solar thermal power plants Ther ¬ moölbasis described salt mixtures ° was measured by thermo gravimetric analysis at very low heating rates (1 K / min) of 290 ° C to 400 detected without loss of mass, and thus permits the use of the salt mixture over years or decades almost without refill and / or purification.
Durch die Erfindung wird erstmals ein Wärmespeichermedium für die Verwendung in Solarthermischen Kraftwerksanlagen, die mit Thermoölen als Wärmetransfermedium betrieben werden, vorgeschlagen, das auf Nitratbasis, insbesondere auf der Basis ei¬ nes binären Salzgemisches aus Natrium und Calciumnitrat her¬ stellbar ist und entweder ganz ohne Kaliumnitrat oder mit ge¬ ringer Menge an Kaliumnitrat auskommt. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da in den Ländern, in denen Solarthermische Kraftwerksanlagen eine wichtige Energiequelle werden können, Kaliumnitrat vornehmlich für die Landwirtschaft als Dünger für die Herstellung von Lebensmitteln gebraucht wird. The invention is first a heat storage medium for use in solar thermal power plants, operated with thermal oil as a heat transfer medium proposed which is ¬ adjustable nitrate-based, in particular on the basis of egg ¬ nes binary salt mixture of sodium and calcium nitrate forth and either without potassium nitrate or manages with ge ¬ ringer amount of potassium nitrate. This is particularly important because in those countries where solar thermal power plants can become an important source of energy, potassium nitrate is needed primarily for agriculture as fertilizer for the production of food.
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