マグネシアへのナトリウム熱伝達の保管試験を受ける

Nov 08, 2023

投稿日2022年12月5日2022年12月10日著者スーザン・クレーマー

ASTRIの資金提供により、ベンチトップ規模のナトリウム実験室でのマグネシアレンガのプロトタイプテスト。 画像@伝熱流体としてナトリウムを使用した充填層熱エネルギー貯蔵プロトタイプの開発

太陽研究者は、液体金属を使用して、積み重ねられたセラミックマグネシアレンガでの熱エネルギー貯蔵をテストしています。 熱媒体としてのナトリウム。マグネシアレンガは単一の貯蔵タンク内の充填層に保持されます。 したがって、熱躍層貯蔵を利用して、液体ナトリウムを高温状態と「冷却」状態 (150°C) の両方で含むことになります。

重工業用の集中太陽熱 (CST) 処理には、高温の材料が必要です。 液体ナトリウムとマグネシアはどちらも、このような高温エネルギー貯蔵に適しています。

エネルギーを貯蔵する必要性は、今日の再生可能エネルギーだけで問題になったわけではありません。 ガスは常に広大な地下洞窟に貯蔵されてきました。 石油は巨大な地下タンクと国の石油備蓄に保管されています。 石炭は発電所の外に山積みされているか、大陸をゆっくりと移動する列車の車内で待機しています。

電力網には蓄電が必要です。 太陽光発電の熱形態である CSP では、貯蔵は熱です。 熱い溶融塩の中で。 これらは熱を伝達し、約 560°C で蓄えます。 この種の太陽光発電は、石炭や原子力発電所と同様に、火力発電所を使用して蒸気から電気を生成します。 これらの蒸気タービン システムに必要な温度は約 400°C だけです。

現在、産業プロセスに熱を供給するために燃焼中の化石燃料に代わって集中太陽熱（CST）が使われ始めているため、貯蔵はさらに重要になっています。 これらのプロセスは、夏も冬も、800°C 以上の高温で 24 時間稼働する必要があります。

より高い温度を達成するために、CST の研究者は熱を伝達し、熱を保つための新しい技術を研究しています。 1 つの方法は、タスクを 2 つのマテリアルに分割することです。 高温の伝達に最適な流体は、熱を蓄えるのに最適な固体材料を加熱できます。

このため、CST 分野の研究者は、うまく連携してより高い温度を達成できる伝熱流体と蓄熱材料を研究しています。

オーストラリア国立大学 (ANU) のチームは、新しい組み合わせをテストすることを提案しています。 彼らの論文「伝熱流体としてナトリウムを使用した充填層熱エネルギー貯蔵プロトタイプの開発」と SolarPACES2022 のプレゼンテーションで彼らの研究について説明しています。

彼らは、熱伝達流体として液体ナトリウムを試し、低コストの商用グレードのマグネシアのレンガに熱を蓄えることを試みています。レンガはセラミックとして、ほとんどの岩石よりも熱を吸収し保持することができます。 ナトリウムの動作範囲は 100°C ～ 800°C で、溶融塩 (290°C ～ 565°C) よりもはるかに高温で、動作範囲がはるかに広いです。

「ナトリウムは、その高温能力と幅広い液体範囲により、高温システムにとって非常に興味深い流体となる可能性があります」と、筆頭著者でANU准教授のジョー・コベントリー氏は述べた。 「また、マグネシアれんがは、750℃のナトリウムと接触しても良好な熱力学的安定性を示します。さらに、これらは製鉄の耐火ライナーとして使用される非常に標準的な市販製品です。大量に購入できます。供給についてはまったく心配ありません。」

FactSage でのモデリングに従って、有望なセラミックを特定します。 マグネシアを利用して、チームは大学のナトリウム研究室でベンチスケールのプロトタイプを構築しました。 ここでは、この充填層システムのパフォーマンスのシミュレーションの精度をテストします。

この形式の熱エネルギー貯蔵では、非常に高い温度を保持する岩、小石、または砂が容器に詰められます。 固体材料は、気体または液体の熱伝達流体によって加熱されます。 空気や超臨界 CO2 などのガスは非常に高温になる可能性があります。

熱伝達流体として液体金属を用いた充填層に最適なセラミックを見つけることは、例えば、クラリッサ・ニーダーマイヤー氏が率いるカールスルーエ工科大学（KIT）の液体金属研究所などで、高温研究の関心のもう一つの分野である。

「KITのチームは、ナトリウムを詰めたベッドの保管場所をモデリングする初期の作業の一部を行った」とコベントリー氏は述べた。 「しかし、彼らはナトリウムと互換性のある充填床貯蔵材料として特定のセラミックを特定してテストするところまでは到達していないと思います。それで、私たちはそれを実行しました。私たちはプロトタイプを構築した最初のものだと思います」商業用途に適していると考えられる、ナトリウムと互換性のある適切な低コストのバルク貯蔵材料を使用する」

彼らはマグネシアをレンガの形で使用することで、すぐに入手できる製品の大量生産に適した、密に詰まった構成を提案しました。 緩く充填された石や丸い小石の山で構成される充填層システムのほとんどでは、連続する熱サイクルによって材料が外側に押し出されて容器の壁にストレスを与える傾向があるという潜在的な問題があります。

「タンクに石を詰めると、温度が上がるにつれて石はわずかに大きくなります」と彼は説明した。 「そして、壁は少し外側に曲がります。そして、すべてが再び冷えると、すべてが少しだけ下がり、再び加熱されると、壁が少し遠くに押し出されます。これは、「熱ラチェット」として知られる問題です。 」

構造化されたレンガのパッキングにより、レンガが互いに支えられたままになるため、ラチェット現象が解消されます。 ANU はまた、マグネシアを 750°C に最大 500 時間暴露するテストを行い、高温での安定性を確認しました。 相変化や構造的損傷は観察されていません。

ナトリウムの高温利点はずっと前に確認されていました。 最新の原子力では、ナトリウム冷却高速炉は冷却材として液体金属ナトリウムを使用します。 しかし、太陽光研究のごく初期にスペインのプラタフォルマ・ソーラー・デ・アルメリア（PSA）屋外試験センターで漏洩により火災が発生した後、このナトリウム研究は中止された。

その後、最近の高温太陽プロセスへの関心の高まりにより、ナトリウムが再び研究の注目を集め始めました。 オーストラリアでは、ヴァスト・ソーラー社がポート・オーガスタで計画しているCSPにおいて、溶融塩の代わりに熱媒体としてナトリウムを使用している。 このモジュール式プラントは、直列の太陽光発電によって加熱される複数のタワーレシーバー内に熱伝達流体を備えています。

「ヴァスト・ソーラーがナトリウムに最も興味を持っているのは、モジュール化が可能になるからだ」とコベントリー氏は説明した。 「ナトリウムは各塔を相互接続し、熱を中央の電力ブロックに戻すことができます。溶融塩は凍結しやすいため、そのように複数の太陽フィールドを横断することはできません。」 (溶融塩は、565℃から290℃の動作範囲では水のような液体です。しかし、それより低い温度では固体になり、動かなくなります。)

研究チームがナトリウムによる火災のリスク（および他の候補者よりも高いコスト）を軽減する方法は、使用量を最小限に抑えることだ。 ほとんどの充填層貯蔵システムでは、岩石の山に熱伝達流体が流れるための大きな隙間ができることがあります。 長方形のレンガの場合、それぞれのレンガの間には狭い隙間があるだけです。 「ナトリウムはレンガ間の隙間を通って流れるので、そうすればナトリウムが総体積の5％をはるかに下回ることが期待できます」とコベントリー氏は説明した。

ナトリウムは比較的高価です。 したがって、使用量を最小限にすることも意味があります。 しかし、そのような少量の熱伝達流体は、ソーラーレシーバーで十分な熱を吸収し、それを蓄熱材に伝達するのに効果的でしょうか? このテストで彼らはそれを解明したいと考えている。

時間の経過に伴う空間温度分布を示すマグネシアレンガを使用したナトリウム HTF の熱躍層貯蔵

カールスルーエでの液体金属と他のセラミック材料の高温保管に関する研究と同様に、このテストはサーモクライン保管で行われます。 温かいものと冷たいものを同じタンクの中に入れます。 サーモクラインとは、暖かい上層と冷たい下層が出会う混合温度領域を指します。 蓄熱では、可能な限り小さい必要があり、それにはある程度のエンジニアリングが必要です。 しかし、サーモクライン システムは、高温と低温の 2 つのタンクを持つよりもコスト効率が高くなります。実際には、そのうちの 1 つは常に空であり、保管材料コストが無駄になるからです。

「私たちは最近、オーストラリアの重工業向け低炭素移行イニシアチブであるHILTCRCと多くの仕事をしています。彼らは1200℃までの非常に高い温度に興味を持っています。」と彼は付け加えた。

「熱が必要な場合、充填ベッドのようなものに熱を蓄える方が、電気を蓄えてから熱に戻すよりもはるかに安価です。充填ベッドは操作が非常に簡単で、それが産業界にとって魅力的だと思います。そこで私たちは探しています。私たちの大規模な工業プロセスに熱を供給するのにかなりの仕事をする必要があります。アルミナ精製、セメント製造、水素還元または鉄鉱石、およびさまざまな関連産業。」

オーストラリアの太陽光 CST 研究と重工業低炭素移行 (HILTCRC) プログラムの詳細

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