رفتن به محتوای اصلی
کوهستان
توضیح کوهستانذخیره‌سازی شبکهگزارش تشریحی· 6 دقیقه مطالعه· در انرژی

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

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز برای ذخیره‌سازی گیگاوات‌ساعت‌ها گرما، به ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات سدیم و پتاسیم وابسته‌اند. اما یک سقف شیمیایی سخت در دمای ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد، حداکثر بازدهی قابل‌دستیابی این نیروگاه‌ها را تعیین می‌کند.

به قلم پیام نورانی

به‌طور خلاصه

  • نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز برای ذخیره انرژی حرارتی به ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات سدیم و پتاسیم متکی هستند.
  • این ترکیب نمکی در حالت مایع بین دماهای ۲۹۰ تا ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کند.
  • حرارت دادن نمک به بیش از ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد باعث تجزیه شیمیایی آن شده و اکسیدهای خورنده‌ای تشکیل می‌دهد که مخازن ذخیره فولادی را تخریب می‌کنند.

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]

ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات بین دماهای ۲۲۳ تا ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد به‌صورت مایعی پایدار باقی می‌ماند.

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]

دماهای عملیاتی بالاتر، چرخه‌های تولید توان با بازدهی بیشتری را امکان‌پذیر می‌کنند و صنعت را به سمت یافتن جایگزین‌هایی برای نمک‌های نیترات سوق می‌دهند.

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]

نمک مذاب در مخازن عظیم فولادی عایق‌بندی‌شده ذخیره می‌شود و به نیروگاه‌های خورشیدی اجازه می‌دهد تا ساعت‌ها پس از غروب آفتاب نیز برق تولید کنند.

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]

اصطلاحات کلیدی

گرمای محسوس
انرژی حرارتی ذخیره‌شده از طریق افزایش دمای یک ماده بدون تغییر فاز آن.
مخلوط یوتکتیک
ترکیبی از مواد که در یک دمای واحد، پایین‌تر از نقطه ذوب اجزای تشکیل‌دهنده خود، ذوب می‌شود.
چرخه برایتون دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی
یک چرخه پیشرفته تولید توان که از دی‌اکسید کربن تحت فشار و دمای شدید برای چرخاندن توربین با بازدهی بیشتر نسبت به بخار استفاده می‌کند.

پرسش‌های متداول

نمک خورشیدی از چه چیزی ساخته شده است؟

این ماده یک مخلوط یوتکتیک متشکل از ۶۰ درصد نیترات سدیم و ۴۰ درصد نیترات پتاسیم است.

چرا نمک خورشیدی را نمی‌توان بیش از ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد حرارت داد؟

در دماهای بالاتر، یون‌های نیترات به نیتریت‌ها و یون‌های اکسید خورنده تجزیه می‌شوند که باعث آزادسازی اکسیژن و آسیب به مخازن ذخیره‌سازی می‌گردد.

نمک مذاب چگونه انرژی را ذخیره می‌کند؟

این ماده انرژی را به‌صورت گرمای محسوس ذخیره می‌کند، به این معنی که نمک مایع از نظر فیزیکی گرم‌تر می‌شود (تا ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد) و این گرما را در مخازن عایق‌بندی‌شده حفظ می‌کند تا زمانی که برای جوشاندن آبِ توربین بخار به آن نیاز باشد.

بررسی عمیق دیدگاه‌ها

اپراتورهای فعلی نیروگاه‌های خورشیدی

برای چرخه‌های استاندارد بخار، برای قابلیت اطمینان اثبات‌شده و هزینه پایین ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات ارزش قائل هستند.

برای اپراتورهای تجاری، محدودیت ۵۶۵ درجه‌ای یک مصالحه قابل‌قبول در برابر پایداری و مقرون‌به‌صرفه بودن نمک خورشیدی است. ترکیب ۶۰ به ۴۰ غیرسمی است، از زنجیره‌های تامین استاندارد کود در داخل تامین می‌شود و می‌تواند در تمام طول عمر ۳۰ ساله یک نیروگاه بدون نیاز به تعویض دوام بیاورد. با فعالیت در چارچوب مرزهای شیمیایی شناخته‌شده، این نیروگاه‌ها برق پایه قابل‌توزیع و مطمئنی را فراهم می‌کنند که باتری‌های لیتیوم-یونی در مقیاس کلان قادر به رقابت با آن نیستند.

پژوهشگران نسل آینده

برای دستیابی به دماهای بالای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و بازدهی دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی، بر استفاده از نمک‌های کلرید یا مواد حالت جامد پافشاری می‌کنند.

مهندسانی که بر روی نقشه راه نسل سوم وزارت انرژی متمرکز هستند، استدلال می‌کنند که نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز برای حفظ رقابت‌پذیری اقتصادی خود باید سد بازدهی ۴۰ درصدی را بشکنند. از آنجا که ترمودینامیک حکم می‌کند بازدهی بالاتر نیازمند دمای ورودی گرم‌تر است، این پژوهشگران محدودیت ۵۶۵ درجه‌ای نمک‌های نیترات را یک بن‌بست می‌دانند. آن‌ها به‌طور فعال در حال توسعه نمک‌های کلرید مذاب و گیرنده‌های ذرات سرامیکی حالت جامد هستند که قادر به تحمل دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد باشند؛ امری که به نیروگاه‌ها اجازه می‌دهد از توربین‌های دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی با بازدهی بالا استفاده کنند.

مدافعان کاهش اثرات شیمیایی

در حال بررسی مدیریت گاز مداربسته هستند تا نمک‌های نیترات موجود را اندکی فراتر از محدودیت طبیعی تجزیه آن‌ها پیش ببرند.

گروهی از مهندسان شیمی بر این باورند که محدودیت ۵۶۵ درجه‌ای تنها یک سقف سخت برای مخازن اتمسفر باز است. با آب‌بندی مخازن ذخیره‌سازی و مدیریت فعال گاز پوششی - به‌ویژه با وارد کردن مجدد اکسیژن و گازهای نیتروژن‌دار - آن‌ها می‌توانند تعادل شیمیایی را برای جلوگیری از تجزیه نیترات دستکاری کنند. اگرچه این رویکرد پیچیدگی مکانیکی را افزایش می‌دهد، اما با موفقیت توانسته است نمک خورشیدی را در دمای ۶۲۰ درجه سانتی‌گراد در محیط‌های آزمایشگاهی تثبیت کند و راه را برای ادغام با چرخه‌های بخار فوق‌بحرانی هموار سازد.

اپراتورهای تجاری نیروگاه‌های خورشیدی 40%پژوهشگران چرخه‌های پیشرفته 40%متخصصان کاهش اثرات شیمیایی 20%
اپراتورهای تجاری نیروگاه‌های خورشیدی
برای چرخه‌های استاندارد بخار، برای قابلیت اطمینان اثبات‌شده و هزینه پایین ترکیب ۶۰ به ۴۰ نیترات ارزش قائل هستند.
پژوهشگران چرخه‌های پیشرفته
برای دستیابی به دماهای بالای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و بازدهی دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی، بر استفاده از نمک‌های کلرید یا مواد حالت جامد پافشاری می‌کنند.
متخصصان کاهش اثرات شیمیایی
در حال بررسی مدیریت گاز مداربسته هستند تا نمک‌های نیترات موجود را اندکی فراتر از محدودیت طبیعی تجزیه آن‌ها پیش ببرند.

دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده

  • تولیدکنندگان باتری‌های لیتیوم-یونی که برای تصاحب بازار ذخیره‌سازی طولانی‌مدت رقابت می‌کنند

منابع

پوشش منابع

6 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

اپراتورهای تجاری نیروگاه‌های خورشیدی 40%پژوهشگران چرخه‌های پیشرفته 40%متخصصان کاهش اثرات شیمیایی 20%
  1. [1]MDPIمتخصصان کاهش اثرات شیمیایی

    State of Knowledge of Chemical Decomposition of Nitrates

    مطالعه در MDPI →
  2. [2]SolarPACESمتخصصان کاهش اثرات شیمیایی

    Molten salt degradation and corrosion at higher temperatures

    مطالعه در SolarPACES →
  3. [3]AIP Publishingاپراتورهای تجاری نیروگاه‌های خورشیدی

    The high temperature limit of Solar Salt

    مطالعه در AIP Publishing →
  4. [4]Stanford Universityاپراتورهای تجاری نیروگاه‌های خورشیدی

    Molten-Salt Thermal Energy Storage

    مطالعه در Stanford University →
  5. [5]Engineeringپژوهشگران چرخه‌های پیشرفته

    Next Generation Concentrating Solar Power and Thermal Energy Storage

    مطالعه در Engineering →
  6. [6]تیم سردبیری کوهستانپژوهشگران چرخه‌های پیشرفته

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

اخبار انرژی با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.