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

Het kleverige probleem van de zon en de magie van droog zout

Stel je voor dat je de energie van de zon probeert op te slaan zoals je geld bewaart in een spaarpot. Wanneer de zon fel schijnt, wil je zoveel mogelijk van die warmte opvangen en bewaren voor een regenachtige dag — of een bewolkte nacht. Dit is het grote idee achter Concentrated Solar Power (CSP). Wetenschappers gebruiken enorme spiegels om zonlicht te concentreren op een ontvanger, waarbij een speciale vloeistof in leidingen wordt verhit. Deze hete vloeistof doet vervolgens een turbine draaien om elektriciteit op te wekken, zelfs nadat de zon is ondergegaan.

Het probleem is het vinden van de perfecte "spaarpot"-vloeistof. Lange tijd hebben wetenschappers een mengsel gebruikt van twee veelvoorkomende zouten (natriumnitraat en kaliumnitraat), omdat ze goedkoop zijn en warmte goed vasthouden. Maar ze hebben een paar irritante gebreken: ze bevriezen bij temperaturen die te hoog zijn (waardoor ze moeilijk op te starten zijn) en ze beginnen af te breken en te "rotten" als ze te heet worden, wat de hoeveelheid energie die je kunt opslaan beperkt. Om dit op te lossen, probeerden onderzoekers een derde ingrediënt toe te voegen: magnesiumnitraat. Dit is als het toevoegen van een geheim kruid aan een soep om het vriespunt te verlagen. Echter, het magnesiumnitraat dat zij gewoon kopen, komt met een zware rugzak aan watermoleculen eraan vast (het is een "hydraat"). Wanneer je dit natte zout probeert te smelten, veroorzaakt het water een chemische bende, wat een corrosieve smurrie creëert die het mengsel ruïneert en onstabiel maakt bij hoge temperaturen. De uitdaging was: hoe haal je het water eraf zonder het zout te breken of te laten exploderen?

De één-stap droogtechniek

In dit onderzoek besloot een team van onderzoekers van de Qinghai Normal University en andere instellingen om dit "natte zout"-probleem rechtstreeks aan te pakken. Ze wilden een superstabiele, watervrije (anhydrische) versie maken van een mengsel van drie zouten: magnesiumnitraat, natriumnitraat en kaliumnitraat. In plaats van droog magnesiumnitraat te kopen (wat duur en lastig te hanteren is), begonnen ze met de natte, goedkope versie en bedachten ze een slimme, één-stap manier om het direct ín het mengsel uit te drogen.

Beschouw de natte magnesiumnitraatkristallen als sponzen die in water zijn gedrenkt. Als je ze zomaar in een hete oven gooit, kan het water te snel verdampen, waardoor de spons kan afbrokkelen of slecht reageert met de andere zouten. De onderzoekers ontwierpen een specifiek "bakprogramma" om het water voorzichtig eruit te persen. Ze plaatsten het natte magnesiumnitraat in een speciale container en verwarmden het in stappen. Eerst verwarmden ze het tot 150°C, daarna naar 250°C, en tot slot naar 300°C, waarbij ze het bij elke temperatuur een specifieke tijd lang vasthielden. Ze deden dit in een vacuüm (een ruimte zonder lucht) of onder een gasstroom om de waterdamp weg te voeren zodra deze het zout verliet. Dit zorgvuldige, stapsgewijze droogproces veranderde het natte, onstabiele zout in een droog, stabiel poeder zonder dat het de corrosieve "smurrie" werd die normaal gesproken optreedt.

Zodra het magnesiumnitraat droog was, mengden ze het met de andere twee zouten om hun nieuwe "MNK" ternaire gesmolten zout te maken. Vervolgens onderwierpen ze dit nieuwe mengsel aan een reeks tests om te zien hoe het zich gedroeg in vergelijking met de oude, natte versie. Ze gebruikten een machine genaamd TG-DSC, wat een soort super slimme weegschaal is die ook warmte meet. Het verwarmt het zout langzaam terwijl het het gewicht meet om te zien of het gewicht verliest (wat zou betekenen dat het afbreekt of water verliest) en meet hoeveel energie het kost om het te smelten.

De resultaten waren zeer veelbelovend. Het nieuwe, droge zout was een veel beter warmteopslagmateriaal dan de natte versie. Ten eerste begon het niet af te breken tot het de 457,6°C bereikte, terwijl de natte versie al bij slechts 404,1°C uit elkaar begon te vallen. Dit is een enorme zaak, want het betekent dat je het zout veel warmer kunt verhitten, waardoor je meer energie kunt opslaan zonder dat het "rot". De onderzoekers ontdekten dat het droge zout veilig kan functioneren tot 450°C, wat de "veilige zone" voor zonne-energiecentrales uitbreidt.

Ten tweede smolt het droge zout bij een lagere temperatuur. Het natte mengsel moest de 157,5°C bereiken voordat het een vloeistof werd, maar de droge versie begon al te smelten bij 148,2°C. Dit maakt het makkelijker om het systeem 's ochtends op te starten. Nog beter: wanneer het smolt, absorbeerde het meer energie. De "latente smelthete" (de energie die het opzuigt tijdens het smelten) sprong van 66,61 J·g⁻¹ voor het natte zout naar 88,71 J·g⁻¹ voor het droge zout. Dat is een aanzienlijke boost in de "batterijcapaciteit" van het zout.

Het team controleerde ook of het zout herhaaldelijk verhitting en afkoeling zou overleven, waarbij dag-en-nachtcycli van jaren werden gesimuleerd. Na het verhitten van het droge zout tot 450°C en het laten afkoelen, wogen ze het. Het verloor bijna geen massa (slechts ongeveer 2,01% na 300 uur bij hoge temperatuur), wat bewees dat het zeer stabiel was. In tegenstelling hiermee verloor het natte zout veel massa (8,61%) bij dezelfde temperatuur, omdat het water in het zout ontsnapte en het zout aan het vervallen was. Ze zochten zelfs naar chemische tekenen van problemen, zoals de aanwezigheid van een corrosief bijproduct genaamd magnesiumhydroxynitraat. Ze vonden dit slechte spul in de natte zoutmonsters, maar het was volledig afwezig in het droge zout.

Het artikel concludeert dat deze eenvoudige, één-stap droogmethode een levensvatbare manier is om hoogwaardig zout voor zonne-energie te maken. Door het water zorgvuldig te verwijderen voordat het zout smelt, creëerden ze een materiaal dat stabieler is, meer warmte vasthoudt en hogere temperaturen kan weerstaan dan het traditionele natte mengsel. Hoewel het artikel niet beweert dat dit de definitieve oplossing is voor alle zonne-energie, suggereert het dat dit specifieke droge zout een zeer sterke kandidaat is om de opslag van zonne-energie efficiënter en betrouwbaarder te maken.