محدودیت ۵۶۵ درجه‌ای نمک خورشیدی: چگونه تخریب حرارتی، بازدهی نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز را مهار می‌کند

در دمای ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد، پیوندهای شیمیایی که یک ترکیب تجاری نمک نیترات را در کنار هم نگه می‌دارند، شروع به شکستن می‌کنند. این دمای خاص، یک محدودیت مکانیکی برای پمپ‌ها یا مخازن نیست، بلکه یک سقف ترمودینامیکی سخت است که توسط خود نمک تحمیل می‌شود. در نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز سراسر جهان، این سقف دقیقاً تعیین می‌کند که چه مقدار برق می‌توان از یک مزرعه آینه‌ای استخراج کرد.[1][3]

سیال مورد بحث، یک استاندارد صنعتی است که با نام «نمک خورشیدی» (Solar Salt) شناخته می‌شود. این ماده یک ترکیب دوتایی نزدیک به یوتکتیک است که از ۶۰ درصد نیترات سدیم و ۴۰ درصد نیترات پتاسیم (از نظر وزنی) تشکیل شده است. در دمای اتاق، این ماده یک پودر کریستالی سفیدرنگ است. اما با حرارت دیدن تا بالای ۲۲۳ درجه سانتی‌گراد، به مایعی شفاف و آب‌مانند ذوب می‌شود که می‌تواند مقادیر عظیمی از انرژی حرارتی را بدون جوشیدن یا تبخیر شدن جذب کند.[1][4]

همین پایداری فازی است که ترکیب ۶۰ به ۴۰ را به رسانه غالب ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای نیروگاه‌های خورشیدی در مقیاس شبکه تبدیل کرده است. یک سیستم استاندارد دو مخزنه، نمک مذاب «سرد» را در دمای ۲۹۰ درجه سانتی‌گراد به بالای یک برج مرکزی پمپاژ می‌کند، جایی که نور متمرکز خورشید آن را تا ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌دهد. سپس این سیال به داخل یک مخزن گرم عایق‌بندی‌شده سرازیر می‌شود، جایی که می‌تواند انرژی حرارتی خود را تا ۱۵ ساعت با کمترین میزان اتلاف حفظ کند.[4]

هنگامی که شبکه پس از غروب آفتاب به برق نیاز دارد، نمک ۵۶۵ درجه‌ای از طریق یک مبدل حرارتی پمپاژ می‌شود تا آب را به جوش آورد. بخار حاصل، یک توربین متداول چرخه رانکین را به حرکت درمی‌آورد و دقیقاً مانند یک نیروگاه زغال‌سنگی یا هسته‌ای برق تولید می‌کند. از آنجا که نمک به جای پتانسیل الکتروشیمیایی، گرمای محسوس را ذخیره می‌کند، ظرفیت ذخیره‌سازی به‌سادگی با ساخت مخازن فولادی بزرگ‌تر افزایش می‌یابد.[4]

با این حال، محدودیت عملیاتی ۵۶۵ درجه‌ای به‌عنوان یک گلوگاه برای بازدهی کل نیروگاه عمل می‌کند. بر اساس قوانین ترمودینامیک، حداکثر بازدهی نظری یک موتور حرارتی مستقیماً به اختلاف دمای بین منبع گرم و چاهک سرد بستگی دارد. با محدود کردن دمای بخار در حدود ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد، نمک نیترات بازدهی تبدیل حرارت به الکتریسیته در بلوک قدرت را به حدود ۴۰ درصد محدود می‌کند.[5]

حرارت دادن نمک فراتر از این حد، آن را از بین می‌برد. پژوهشگران موسسه فیزیک آمریکا خاطرنشان می‌کنند که اگرچه تعادل نیترات-نیتریت در اتمسفرهای باز تا دمای ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد پایدار می‌ماند، اما عبور از این آستانه باعث تجزیه سریع می‌شود. یون‌های نیترات تجزیه شده، گاز اکسیژن آزاد می‌کنند و نیتریت‌ها را تشکیل می‌دهند.[3]

اگر دما همچنان به سمت ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد افزایش یابد، آن نیتریت‌ها بیشتر تجزیه شده و به یون‌های اکسید به‌شدت خورنده تبدیل می‌شوند. این تغییر شیمیایی، خواص ترموفیزیکی سیال را به‌طور بنیادین تغییر می‌دهد و به‌شدت به آلیاژهای فولاد ضدزنگ مورد استفاده در مخازن ذخیره‌سازی و لوله‌کشی‌ها حمله می‌کند.[1][3]

توماس بونک، پژوهشگر مرکز هوافضای آلمان (DLR)، توضیح می‌دهد: «اگر یک مخزن نمک مذاب در دمای ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد کار کند، بین ۴ تا ۵ درصد نیتریت در سیستم نمک مذاب تشکیل می‌شود و اکسیژن به محیط آزاد می‌گردد.» در دماهای تجاری فعلی، این تعادل ثابت می‌ماند. اما در دماهای بالاتر، آزادسازی شتاب‌یافته گازهای واکنش‌پذیر، ماده ذخیره‌ساز را به یک خطر خورنده تبدیل می‌کند.[2]

آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، نیاز به شکستن این سد دمایی را در نقشه راه نسل سوم نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (Gen3 CSP) خود در سال ۲۰۱۷ رسمی کرد. این نقشه راه، رسیدن به هزینه تراز شده برق معادل ۵ سنت بر کیلووات‌ساعت را تا سال ۲۰۳۰ هدف‌گذاری کرده است. دستیابی به این هزینه نیازمند کنار گذاشتن چرخه رانکین بخار با بازدهی ۴۰ درصد و روی آوردن به چرخه برایتون دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی (sCO2) است که می‌تواند به بازدهی حرارتی بالای ۵۰ درصد برسد.[5]

با این حال، چرخه sCO2 به دمای ورودی حداقل ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارد. از آنجا که ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات نمی‌تواند در چنین محیطی دوام بیاورد، نقشه راه نسل سوم عملاً گذار به رسانه‌های انتقال حرارت کاملاً جدید را الزامی می‌کند.[5]

یکی از جایگزین‌های پیشرو، نمک‌های کلرید مذاب است، مانند ترکیبی از کلریدهای منیزیم، سدیم و پتاسیم. این نمک‌ها خواص ترموفیزیکی مشابهی با نیترات‌ها ارائه می‌دهند و قیمت آن‌ها کمتر از ۰.۳۵ دلار در هر کیلوگرم است، در حالی که در دمای بالای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز از نظر حرارتی پایدار می‌مانند. با این حال، کلریدها چالش‌های خوردگی شدیدی به همراه دارند که نیازمند آلیاژهای پیشرفته مبتنی بر نیکل یا پوشش‌های سرامیکی تخصصی برای سیستم لوله‌کشی است.[5]

گیرنده‌های ذرات حالت جامد مسیر دیگری را نشان می‌دهند. در این سیستم‌ها به‌جای مایع، ذرات سرامیکی ماسه‌مانند از میان پرتو متمرکز خورشید رها می‌شوند و دمای آن‌ها به بیش از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این ذرات در سیلوهای عایق‌بندی‌شده ذخیره شده و برای به حرکت درآوردن توربین sCO2 از یک مبدل حرارتی بستر سیال عبور داده می‌شوند و بدین ترتیب محدودیت‌های تجزیه شیمیایی نمک‌های مایع را به‌طور کامل دور می‌زنند.[5]

در همین حال، برخی از مهندسان شیمی در تلاشند تا با مدیریت فعال گاز، دوام نمک‌های نیترات موجود را افزایش دهند. با آب‌بندی مخازن ذخیره‌سازی و تحت فشار قرار دادن مصنوعی فضای خالی بالای مخزن با اکسیژن و گازهای نیتروژن‌دار، پژوهشگران می‌توانند تعادل شیمیایی را دستکاری کنند.[1][2]

بونک خاطرنشان می‌کند: «این بدان معناست که اگر می‌خواهید به این دماهای بالا برسید، باید به‌طور کلی به مدیریت گاز فکر کنید. اگر می‌دانید که این گازها در دماهای بالا تشکیل می‌شوند، می‌توانید سعی کنید با وارد کردن مجدد گازها به سیستم، نمک مذاب را تثبیت کنید.»[2]

در سال ۲۰۲۳، تیم DLR نشان داد که کنترل اتمسفر گاز پوششی می‌تواند خوردگی را کاهش داده و ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات را در دمای ۶۲۰ درجه سانتی‌گراد تثبیت کند. این افزایش ۵۵ درجه‌ای برای راه‌اندازی چرخه دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی کافی نیست، اما برای ادغام ذخیره‌سازی نمک مذاب با نیروگاه‌های زغال‌سنگی فوق‌بحرانی مدرن در آلمان کفایت می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به‌عنوان باتری‌های حرارتی عمل کنند.[2]

برای صنعت گسترده‌تر انرژی خورشیدی، محدودیت ۵۶۵ درجه‌ای همچنان پارامتر تعیین‌کننده در استقرارهای فعلی است. ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات، قابلیت اطمینان خود را در گیگاوات‌ها ظرفیت نصب‌شده ثابت کرده است و یک رسانه ذخیره‌سازی غیرسمی و با منبع داخلی ارائه می‌دهد که دوام آن از عمر طراحی ۳۰ ساله خود نیروگاه‌ها نیز بیشتر است.[4]

نسل بعدی برق خورشیدیِ قابل‌توزیع، به عبور از آستانه ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد بستگی دارد. تا زمانی که علم مواد به اهداف ترمودینامیکی دست یابد، ناوگان جهانی نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز به کار خود درست در لبه شیمیاییِ تحمل نمک خورشیدی ادامه خواهد داد.[5][6]