Deutsch

Diese Dissertationsschrift fokussiert die Entwicklung und die Optimierung von Salzschmelzen für die Verwendung als Wärmeträgermedium. Hierbei konzentriert sich die Arbeit auf Wärmeträger, die in solarthermischen Kraftwerken, insbesondere Parabolrinnen- sowie Solarturm-Kraftwerke, eingesetzt werden und eine nachhaltige Energiebereitstellung im Megawatt-Bereich gewährleisten sollen. Weiterhin wurden in dieser Arbeit einige niedrigschmelzende Salzgemische entwickelt, die bei der Wärmerückgewinnung eingesetzt werden können, um einen effizienten und nachhaltigen Betrieb zu garantieren.

Für die Applizierung in Parabolrinnen-Kraftwerke konnte eine neuartige, nitratbasierte Salzmischung (Na-K-Ca-Ba/NO₃) entwickelt werden, deren Schmelzpunkt unterhalb 120 °C liegt und bei Temperaturen bis zu 500 °C thermisch stabil ist. Der wirtschaftliche Aufwand für den primären Aufschmelzvorgang reduziert sich aufgrund der geringen Schmelzenthalpie im Vergleich zu gängigen Salzgemischen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil für die Anwendung dieser Salzmischung ist die relativ hohe Energiespeicherdichte. Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität sowie hohen Dichte kann diese Salzmischung sowohl als Wärmeträgermedium als auch als Speichermedium Verwendung finden. Zudem konnte die spezifische Wärmekapazität durch Einarbeitung von Al₂O₃-Nanopartikeln gezielt erhöht werden. Die Korrosionsneigung zwischen dieser Salzmischung zu einer gängigen, kommerziellen Stahlsorte wurde im eigens angefertigten Messstand unter dynamischen Bedingungen analysiert. Hierbei konnte keine signifikant erhöhte Korrosion festgestellt werden, welche einen Dauerbetrieb beeinträchtigen würde. Zudem zeichnet sich diese Nitratmischung durch einen geringen Rohstoffpreis aus. Die Investitionskosten liegen um den Faktor 4-5 unterhalb des heute ausschließlich eingesetzten organischen Mediums, wodurch sich die Stromgestehungskosten solcher großen Parabolrinnen-KW deutlich reduzieren lassen.

Ein weiteres Anwendungsfeld im Bereich der solarthermischen Kraftwerke sind Solarturm- Kraftwerke, die ebenfalls großes Optimierungspotential aufweisen. Durch geeignete Materialkombination konnte eine chloridbasierte Salzmischung (Li-Na-K-Cs/Cl) entwickelt werden, die sich vor allem durch einen geringen Schmelzpunkt auszeichnet.

Anorganische Wärmeträgermedien kommen auch bei der Wärmerückgewinnung zum Einsatz. Um möglichst viel Abwärme zu nutzen, sind niedrige Schmelzpunkte erforderlich. Mittels experimenteller Phasenseparation wurden neuartige Salzmischungen entdeckt, die sich durch Schmelztemperaturen unterhalb von 50 °C auszeichnen. Diese Salzmischungen bestehen ausschließlich aus Kationen der Alkali- und Erdalkalimetallen sowie Anionen der Typen Chlorid, Nitrit, Nitrat und Sulfat.

Im Verlauf dieser Arbeit konnten zudem neuartige, nitratbasierte Salzmischungen mittels einer Gibbs-Minimierung modelliert werden. Die theoretischen Ergebnisse weichen hierbei nur geringfügig von den experimentellen ab.

Darüber hinaus konnten zwei prozessorientierte Salzmischungen, Kaliumnitrat- Kaliumphosphat und Natriumnitrit-Kaliumnitrat-Caesiumnitrat, entwickelt werden, die in chemischen Reaktoren als Wärmetauschermedien zum Einsatz kommen können. Diese beiden neuartigen Systeme stellen eine Alternative zu gängigen, etablierten anorganischen Systemen dar.

English

This thesis focuses on the development and optimization of molten salt mixtures for their usage as heat transfer media. Here, this work deals with novel inorganic heat transfer liquids to be potentially employable in solar thermal power plants, especially of the parabolic trough and power tower types, to provide a sustainable energy supply at the megawatt range. Additionally, several low-temperature-molten salt formulations have been developed that may be exploited in waste energy heat recovery processes to provide a more efficient and sustainable mode of operation.

For parabolic trough power plants, a novel nitrate-based salt mixture was developed with a melting point below 120 °C and a thermal stability of more than 500 °C. The economic effort for the primary melt-up is significantly reduced due to the very low enthalpy of liquefaction with regards to the state-of-the-technology salt mixture. Another striking feature of this new molten formulation is its relatively high energy storage density. Consequently, the formulation is ultimately suitable to serve both as a heat transfer and storage medium due to its high specific heat capacity and specific density. It was also demonstrated that specific heat capacity can be enhanced by turning the base mixture into a nanofluid, via doping it with Al₂O₃-nanoparticles. The corrosion behaviour of this new molten salt mixture towards a state-of-the-art steel grade currently employed in molten salt solar thermal power plants was evaluated under dynamic flow conditions in a custom-made testing device. By means of this innovative measurement method no significantly pronounced corrosion phenomena were observed which would otherwise negatively affect permanent operation. Moreover, another advantage of this formulation is the low commodities price, as salt investments are by a factor of 4-5 lower than the currently employed organic media. As a matter of fact, the levelized cost of electricity may be reduced significantly when used at the commercial scale.

Solar power towers are another field of application for molten salt formulations, though offering a high potential for optimization. By in-depth literature survey and a suitable materials combination, a chloride-based salt mixture was developed, meeting the requisites to compete with the state-of-the-art in terms of melting point but simultaneously allowing for way higher operational temperatures.

Inorganic heat transfer liquids are also used in waste energy recuperation. Low melting points are essential to maximize the reutilization of waste heat. Several inorganic salt mixtures having melting temperatures below 50 °C were discovered by the centrifugal liquidsolid phase separation technique. These low temperature liquids are solely comprised of cations of the alkali- and earth alkaline metals and anions of the chloride, nitrite, nitrate and sulphate type.

In the course of these work novel nitrate-based salt mixtures were theoretically modelled based on the Gibbs energy minimization approach. Theoretical and experimental results of melting points and corresponding compositions differ slightly, though.

Moreover, two yet unknown mixtures were also developed, namely the binary potassium nitrate/potassium phosphate and the ternary sodium nitrite/potassium nitrate/caesium nitrate eutectics. The latter new formulation represents an alternative to the established molten salts used for heat exchange in chemical reactors.