COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN.

Composición de sales de nitrato para su uso como fluido de almacenamiento y transferencia de calor de bajo punto de fusión y alta temperatura de descomposición,

que tiene una formulación de mezcla ternaria de sales de nitratos cuyo componente mayoritario en peso es Nitrato de Estroncio y el resto de componentes son sales de nitratos alcalinos, tales como Potasio, Sodio y Litio. Preferentemente tiene una formulación de Nitrato de Estroncio del 10-50% en peso y el resto son Nitratos de Potasio y Sodio de un 90-50%, situándose concretamente en el 10% en peso de Nitratos de Estroncio, 53% de Potasio y 37% de Sodio.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una composición de sales de nitrato para su uso como fluido de almacenamiento y transferencia de calor de bajo punto de fusión y alta temperatura de descomposición.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en la formulación innovadora de mezclas de sales de nitrato, cuya composición se basa fundamentalmente en Nitrato de Estroncio y otros nitratos de metales alcalinos. Estas sales, en una composición determinada, producen una mezcla eutéctica cuyo punto de fusión es inferior a 210ºC, en una formulación ternaria y su descomposición se produce a una temperatura superior a los 500ºC. Además, esta formulación ternaria es muy competitiva desde el punto de vista económico.

Esta formulación de sales tiene su aplicación directa como fluido de almacenamiento de calor, así como vehículo de transferencia térmica, siendo de aplicación para los sistemas de acumulación y transmisión de calor en centrales termosolares, así como en cualquier otra aplicación donde se requiera almacenamiento temporal de energía térmica y su posterior transferencia.

La aportación principal de la invención es la de un fluido capaz de mantener su estado líquido por un tiempo más prolongado y a una temperatura inferior a las formulaciones existentes en el mercado, sin necesidad de aporte de calor externo y además asegurar la estabilidad de la misma a temperaturas más elevadas.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención no solo se enmarca dentro del sector termosolar, sino que su aplicación abarca todos los sistemas donde sea necesaria la acumulación de energía térmica en forma de calor sensible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Uno de los retos importantes para el desarrollo de energías renovables es su almacenamiento, y éste es el principal problema en la producción de energía solar en plantas termosolares. La energía térmica producida es necesario transportarla y almacenarla para su uso posterior.

Para dicho transporte, está bastante generalizado el uso de aceites térmicos sintéticos, debido fundamentalmente a su amplio rango de temperaturas de trabajo, normalmente entre 12ºC y 390ºC aproximadamente, sin que lleguen a congelar, hervir o descomponerse. Sin embargo estos fluidos no son adecuados para el almacenamiento de calor, debido a sus propiedades de baja densidad, baja capacidad calorífica, alta viscosidad y alto coste, fundamentalmente.

Hasta ahora el sistema más utilizado, principalmente en las plantas termosolares con almacenamiento de calor, es un fluido consistente en sales binarias fundidas de nitratos. Estas mezclas de sales presentan varias ventajas 45 como fluidos de almacenamiento, como son su alta densidad, alta capacidad calorífica, elevada temperatura de descomposición (generalmente superior a los 500ºC) y coste competitivo. Además sus propiedades físicoquímicas las hacen adecuadas para su uso como fluidos de almacenamiento de calor en tanques de grandes dimensiones.

Sin embargo el problema principal al que se enfrenta un almacenamiento de energía térmica con sales fundidas como fluido térmico, es el riesgo de solidificación de la sal, por lo que es necesario mantener el fundido perfectamente aislado y con aporte de calor externo en caso de que la temperatura disminuya a valores cercanos al punto de fusión. Por otro lado, aunque las temperaturas de descomposición son generalmente muy superiores a las de los aceites térmicos, se busca poder trabajar a la máxima temperatura que permita el fluido intermedio 55 (aceite térmico o bien otros como las propias sales) para aumentar la eficacia del ciclo Rankine al entregar la energía almacenada. La estabilidad de estas sales a altas temperatura es de suma importancia, pues se deben evitar descomposiciones en productos que puedan ocasionar corrosiones o que pudieran ser tóxicos.

Las sales de nitratos de metales alcalinos y alcalinotérreos son las más adecuadas para su aplicación como60 almacenamiento térmico debido a sus buenas propiedades físico-químicas y a su estabilidad a altas temperaturas. Forman mezclas fundidas muy homogéneas y presentan mezclas eutécticas con puntos de fusión inferiores a los puntos de fusión de cada una de las sales puras.

La sal solar más empleada en la actualidad es una mezcla binaria de Nitrato Sódico y Nitrato Potásico, que por

motivos comerciales se emplea en una proporción distinta a la del eutéctico. En la figura 1 se muestra el eutéctico para esta mezcla de sales, que se sitúa alrededor del 54% KNO3 y 46% NaNO3 en moles. El punto de fusión de esta sal binaria es de 222 ± 5ºC. Sin embargo, en la sal utilizada comercialmente, la formación de cristales (temperatura liquidus) comienza a una temperatura más elevada, por lo que en la práctica, los almacenamientos mantienen una temperatura superior a 250ºC (normalmente 280ºC) para evitar la solidificación del fundido.

Esta alta temperatura de fusión hace que estas sales fundidas no se puedan utilizar directamente como fluido de transporte térmico y que el sistema de almacenamiento sea más costoso energéticamente, reduciéndose además el número de horas de funcionamiento sin aporte de calor.

Otro de los factores a considerar en las sales utilizadas actualmente para su aplicación como acumulador de calor, es el peligro de corrosividad. Este se presenta fundamentalmente por la presencia de impurezas y las posib les descomposiciones de los nitratos en gases nitrosos a altas temperaturas. Una mezcla ideal, debería tener

una composición totalmente estable en el rango de temperaturas de trabajo, de forma que no existieran impurezas ni se generaran compuestos capaces de producir corrosión en los equipos de trabajo.

El objetivo de la presente invención es, pues, desarrollar un nuevo compuesto que proporcione un fluido de almacenamiento que esté libre de los antedichos inconvenientes, debiendo señalarse que, por parte del

solicitante, se desconoce la existencia de ninguna otra invención que describa el que aquí se propone, según se reivindica.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

De forma concreta, lo que la invención propone, como ya se ha apuntado anteriormente, es una composición conformada a partir de la mezcla ternaria de sales, basadas en Nitratos, incluyendo en su composición Nitrato de Estroncio. Estas sales tienen formulaciones como las representadas en la tabla 1, consistiendo en mezclas de sales de Nitrato de Estroncio y nitratos de alcalinos como Potasio, Sodio y Litio.

Sistema Composición (mol %) T fusión (ºC)

Sr (NO3) 2 NaNO3 KNO3 LiNO3 Experimental Bibliografía

Composición B (3ºC/min) 25, 5 37, 2 37, 3 0 202, 5 -

Composición G (3ºC/min) 28 36 36 0 203 -

Composición H (3ºC/min) 24, 5 40 35, 5 0 203 -

Z (2ºC/min) Eutéctico Bradshaw con Sr 12 16 47 25 -

Eutéctico KNO3-NaNO3 (3ºC/min) 0 47 53 0 218 222±5

Eutéctico KNO3 -Sr (NO3) 2 (3ºC/min) 26 74 0 0 270 276

Eutéctico NaNO3-Sr (NO3) 2 23 77 0 0 n.d. 294, 6

Eutéctico KNO3-LiNO3 0 0 58 42 n.d. 128±5

Eutéctico NaNO3-LiNO3 0 43 57 0 n.d. 194±6

Eutéctico KNO3-NaNO3-LiNO3 0 18 44, 5 37, 5 n.d. 120

Eutéctico KNO3-NaNO3-LiNO3 0 17 53 30 n.d. 130

Eutéctico Sr (NO3) 2-KNO3 -NaNO3 25, 5 37, 2 37, 3 0 202, 5 n.d.

KNO3 (1ºC/min) 0 0 100 0 327 333, 8

NaNO3 (1ºC/min) 0 100 0 0 291 306, 6

LiNO3 (1ºC/min) 0 0 0 100 258 255±3

Sr (NO3) 2 (10ºC/min; descompone At>600ºC) 100 0 0 0 600ºC 645

Tabla 1. Temperatura de fusión de distintas composiciones binarias y ternarias de nitratos alcalinos (KNO3, NaNO3 y LiNO3) y nitrato de estroncio, determinada experimentalmente por Análisis Térmico Diferencial y por el método politérmico. Se indican los valores obtenidos de Phase Diagrams for Ceramists publicados por American Ceramic Society/NIST disponibles.

La composición de sal ternaria objeto de esta patente es una formulación de Nitrato de Estroncio del 10-50% en peso y el resto son Nitratos de Potasio y Sodio de un 90-50%. La composición eutéctica se sitúa en el 10%-53%37% en peso de Nitratos de Estroncio – Potasio – Sodio respectivamente.

Las propiedades físico-químicas de la mezcla ternaria eutéctica son muy similares a las de la mezcla binaria de nitrato de sodio y potasio. Estas propiedades junto con las de estabilidad a alta temperatura, ausencia de corrosividad en el rango de temperaturas de trabajo estudiado, para los componentes puros, baja presión de vapor, alta conductividad...

5 10 15 20 25 1. COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN, caracterizada porque tiene una formulación de mezcla ternaria de sales de nitratos en la que uno de sus componentes es Nitrato de Estroncio y el resto de componentes son sales de nitratos alcalinos.

2. COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN, según la reivindicación 1, caracterizada porque las sales de nitratos alcalinos que conforman el resto de componentes de su formulación, además del Nitrato de Estroncio, son Potasio y Sodio.

3. COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque es una formulación de Nitrato de Estroncio del 10-50% en peso y el resto son Nitratos de Potasio y Sodio de u.

9. 50%.

4. COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN, según la reivindicación 3, caracterizada porque su formulación se sitúa en el 10% en peso de Nitratos de Estroncio, 53% de Potasio y 37% de Sodio.

5. COMPOSICIÓN DE SALES DE NITRATO PARA SU USO COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE BAJO PUNTO DE FUSIÓN Y ALTA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN, según la reivindicación 1, caracterizada porque en su formulación, además del Nitrato de Estroncio, posee al menos uno de los Nitratos de Sodio o Potasio, en una proporción del 50 al 90%.

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