One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

Das klebrige Problem der Sonne und die Magie des trockenen Salzes

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Sonnenenergie so zu speichern, wie Sie Geld in einem Sparschwein aufbewahren. Wenn die Sonne hell scheint, möchten Sie so viel dieser Hitze wie möglich einfangen und für einen Regentag – oder eine bewölkte Nacht – aufsparen. Dies ist die große Idee hinter der konzentrierenden Solarthermie (Concentrating Solar Power, CSP). Wissenschaftler nutzen riesige Spiegel, um das Sonnenlicht auf einen Empfänger zu bündeln, der eine spezielle Flüssigkeit in Rohren erhitzt. Diese heiße Flüssigkeit treibt dann eine Turbine an, um Elektrizität zu erzeugen, selbst wenn die Sonne bereits untergegangen ist.

Das Problem liegt darin, die perfekte „Sparschwein“-Flüssigkeit zu finden. Lange Zeit haben Wissenschaftler eine Mischung aus zwei gewöhnlichen Salzen (Natriumnitrat und Kaliumnitrat) verwendet, da diese günstig sind und Wärme gut speichern können. Aber sie haben ein paar ärgerliche Mängel: Sie gefrieren bei Temperaturen, die zu hoch sind (was den Start erschwert), und sie beginnen zu zerfallen und zu „verfaulen“, wenn sie zu heiß werden, was die Menge der gespeicherten Energie begrenzt. Um dies zu beheben, versuchten Forscher, eine dritte Zutat hinzuzufügen: Magnesiumnitrat. Das ist wie das Hinzufügen eines geheimen Gewürzes zu einer Suppe, um den Gefrierpunkt zu senken. Das Problem ist jedoch, dass das Magnesiumnitrat, das sie normalerweise kaufen, mit einem schweren Rucksack voller Wassermoleküle versehen ist (es ist ein „Hydrat“). Wenn man versucht, dieses nasse Salz zu schmelzen, verursacht das Wasser ein chemisches Chaos, das eine korrosive, klebrige Masse („Gunk“) erzeugt, die die Mischung ruiniert und bei hohen Temperaturen instabil macht. Die Herausforderung bestand darin: Wie nimmt man das Wasser weg, ohne das Salz zu zerstören oder eine Explosion zu verursachen?

Der eintägige Trocknungs-Trick

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern der Qinghai Normal University und anderer Institutionen, das „Nasssalz“-Problem direkt anzugehen. Sie wollten eine superstabile, wasserfreie (wasserfreie/anhydrische) Version einer Drei-Salz-Mischung herstellen: Magnesiumnitrat, Natriumnitrat und Kaliumnitrat. Anstatt wasserfreies Magnesiumnitrat zu kaufen (das teuer und schwierig zu handhaben ist), begannen sie mit der nassen, günstigen Version und entwickelten einen cleveren, einstufigen Weg, um es direkt innerhalb der Mischung auszutrocknen.

Stellen Sie sich die nassen Magnesiumnitratkristalle wie Schwämme vor, die in Wasser getränkt sind. Wenn man sie einfach in einen heißen Ofen wirft, könnte das Wasser zu schnell verdampfen, was dazu führt, dass der Schwamm zerbröckelt oder schlecht mit den anderen Salzen reagiert. Die Forscher entwarfen einen speziellen „Backplan“, um das Wasser sanft herauszuquetschen. Sie platzierten das nasse Magnesiumnitrat in einem speziellen Behälter und erhitzten es in Stufen. Zuerst erwärmten sie es auf 150 °C, dann auf 250 °C und schließlich auf 300 °C, wobei sie jede Temperatur für eine bestimmte Zeit hielten. Dies taten sie in einem Vakuum (einem Raum ohne Luft) oder unter einem Gasstrom, um den Wasserdampf sofort wegzuschleudern, sobald er das Salz verließ. Dieser sorgfältige, schrittweise Trocknungsprozess verwandelte das nasse, instabile Salz in ein trockenes, stabiles Pulver, ohne dass die üblicherweise auftretende korrosive „Gunk“ entstand.

Sobald das Magnesiumnitrat trocken war, mischten sie es mit den anderen beiden Salzen, um ihr neues „MNK“-ternäres Schmelzsalz herzustellen. Sie unterzogen diese neue Mischung dann einer Reihe von Tests, um zu sehen, wie sie sich im Vergleich zur alten, nassen Version verhält. Sie verwendeten eine Maschine namens TG-DSC, die wie eine superintelligente Waage funktioniert, die auch Wärme misst. Sie erhitzt das Salz langsam, während sie das Gewicht misst, um zu sehen, ob es an Gewicht verliert (was bedeuten würde, dass es zerfällt oder Wasser verliert), und misst gleichzeitig, wie viel Energie es zum Schmelzen benötigt.

Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend. Das neue, trockene Salz war ein viel besseres Wärmespeichermaterial als die nasse Version. Erstens begann es nicht erst bei 457,6 °C zu zerfallen, während die nasse Version bereits bei nur 404,1 °C instabil wurde. Das ist eine große Sache, denn es bedeutet, dass man das Salz viel höher erhitzen kann, was mehr Energie speichert, ohne dass es „verfault“. Die Forscher fanden heraus, dass das trockene Salz sicher bis zu 450 °C betrieben werden konnte, was die „sichere Zone“ für Solarkraftwerke erweitert.

Zweitens schmolz das trockene Salz bei einer niedrigeren Temperatur. Die nasse Mischung musste 157,5 °C erreichen, bevor sie flüssig wurde, aber die trockene Version begann bereits bei 148,2 °C zu schmelzen. Das macht den Start des Systems am Morgen einfacher. Noch besser: Als es schmolz, absorbierte es mehr Energie. Die „latente Schmelzwärme“ (die Energie, die es beim Schmelzen aufnimmt) stieg von 66,61 J·g⁻¹ beim nassen Salz auf 88,71 J·g⁻¹ beim trockenen Salz. Das ist eine signifikante Steigerung der „Batterieleistung“ des Salzes.

Das Team prüfte auch, ob das Salz über wiederholtes Erhitzen und Abkühlen hinweg überleben würde, um die jahrelangen Tag-und-Nacht-Zyklen zu simulieren. Nachdem sie das trockene Salz auf 450 °C erhitzt und abkühlen lassen hatten, wogen sie es ab. Es verlor fast keine Masse (nur etwa 2,01 % nach 300 Stunden bei hoher Hitze), was bewies, dass es sehr stabil ist. Im Gegensatz dazu verlor das nasse Salz bei der gleichen Temperatur viel Masse (8,61 %), weil das enthaltene Wasser entwich und das Salz zerfiel. Sie suchten sogar nach chemischen Anzeichen von Problemen, wie dem Vorhandensein eines korrosiven Nebenprodukts namens Magnesiumhydroxynitrat. Sie fanden diesen schädlichen Stoff in den Proben des nassen Salzes, aber er war im trockenen Salz völlig abwesend.

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass diese einfache, einstufige Trocknungsmethode ein gangbarer Weg ist, um Hochleistungssalz für Solarenergie herzustellen. Durch die sorgfältige Entfernung des Wassers, bevor das Salz schmilzt, schufen sie ein Material, das stabiler ist, mehr Hitze speichert und höhere Temperaturen überstehen kann als die traditionelle nasse Mischung. Obwohl die Arbeit nicht behauptet, dass dies die endgültige Lösung für alle Solaranwendungen ist, legt sie nahe, dass dieses spezifische trockene Salz ein sehr starker Kandidat ist, um die Speicherung von Solarenergie effizienter und zuverlässiger zu machen.