Il trasferimento di calore del sodio alla magnesia viene sottoposto al test di conservazione

Apr 15, 2023

Pubblicato il5 dicembre 202210 dicembre 2022AutoreSusan Kraemer

Test prototipo di mattoni di magnesia nel laboratorio del sodio su scala da banco, finanziato da ASTRI. Immagine@Sviluppo di un prototipo di accumulo di energia termica a letto impaccato con sodio come fluido di trasferimento del calore

I ricercatori solari stanno testando l’immagazzinamento dell’energia termica in mattoni ceramici di magnesia impilati – utilizzando un metallo liquido; sodio, come fluido termovettore. I mattoni di magnesia saranno conservati in un letto imballato in un unico serbatoio di stoccaggio; quindi conterrà il sodio liquido sia nello stato caldo che "raffreddato" (150°C) utilizzando lo stoccaggio termoclino.

La lavorazione del solare termico concentrato (CST) per l'industria pesante richiede materiali ad alta temperatura. Sia il sodio liquido che la magnesia sono adatti a tale accumulo di energia ad alta temperatura.

La necessità di immagazzinare energia non è diventata un problema solo con le energie rinnovabili di oggi. Il gas è sempre stato immagazzinato in vaste caverne sotterranee. Il petrolio è immagazzinato in enormi serbatoi sotterranei e riserve petrolifere nazionali. Il carbone viene accumulato fuori dalle centrali elettriche o attende a bordo dei vagoni ferroviari che si muovono lentamente attraverso i continenti.

Lo stoccaggio è necessario per la rete elettrica. Nella CSP, la forma termica dell'energia solare, l'accumulo è termico; nei sali fusi caldi. Questi trasferiscono il calore e lo immagazzinano anch'essi a circa 560°C. Questo tipo di solare utilizza una centrale termica per generare elettricità dal vapore, come una centrale a carbone o nucleare. Questi sistemi con turbine a vapore necessitano solo di una temperatura di circa 400°C.

Ora, lo stoccaggio è ancora più cruciale in quanto il solare termico concentrato (CST) inizia a sostituire la combustione di combustibili fossili per fornire calore ai processi industriali. Questi processi devono svolgersi 24 ore su 24, a temperature più elevate, da 800°C in su, sia in estate che in inverno.

Per raggiungere temperature più elevate, i ricercatori CST stanno esaminando nuove tecnologie per trasferire il calore e mantenerlo caldo. Un modo è dividere il compito tra due materiali. Un fluido più adatto al trasferimento di alte temperature può riscaldare un materiale solido maggiormente in grado di immagazzinare il calore.

Per questo motivo, i ricercatori nel campo CST stanno studiando fluidi per il trasferimento di calore e materiali di accumulo termico che funzionano bene insieme e possono raggiungere temperature più elevate.

Un team dell'Australian National University (ANU) propone di testare una nuova combinazione. Il loro articolo, Sviluppo di un prototipo di accumulo di energia termica a letto impaccato con sodio come fluido di trasferimento del calore e una presentazione SolarPACES2022 descrivono il loro lavoro.

Stanno provando il sodio liquido come fluido di trasferimento del calore e immagazzinando il calore in mattoni di magnesia di tipo commerciale a basso costo, che come ceramica può assorbire e trattenere il calore meglio della maggior parte delle rocce. Il sodio ha un intervallo di funzionamento compreso tra 100°C e 800°C, molto più caldo e un intervallo di funzionamento molto più ampio rispetto ai sali fusi (da 290°C a 565°C).

"Quindi il sodio è potenzialmente un fluido molto interessante per i sistemi ad alta temperatura a causa della sua capacità di resistere alle alte temperature e dell'ampio range di liquidi", ha affermato l'autore principale Joe Coventry, professore associato presso l'ANU. "E i mattoni di magnesia hanno una buona stabilità termodinamica a contatto con il sodio a 750°C. Inoltre sono solo un prodotto commerciale molto standard utilizzato come rivestimento refrattario nella produzione dell'acciaio. Puoi acquistarli sfusi. Nessuna preoccupazione per la fornitura."

Seguendo la loro modellazione in FactSage identificando la ceramica promettente; magnesia, il team ha costruito un prototipo su scala da banco nel laboratorio del sodio dell'università. Qui verrà testata l'accuratezza delle simulazioni delle prestazioni di questo sistema a letto impaccato.

In questa forma di accumulo di energia termica, rocce, ciottoli o sabbia che mantengono temperature molto elevate vengono imballati in un contenitore. Il materiale solido viene riscaldato da un fluido termovettore: un gas o un liquido. Gas come l’aria o la CO2 supercritica possono trasportare temperature molto elevate.

L’individuazione delle migliori ceramiche per letti impaccati con metalli liquidi per il fluido termovettore è un’altra area di interesse di ricerca sulle alte temperature, ad esempio presso il Laboratorio dei metalli liquidi del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), guidato da Klarissa Niedermeier.