Corrosion evaluation of molten salts thermal energy storage (TES) systems in concentrated solar power plants (CSP)

Abstract

El protagonisme creixent de la tecnologia solar termoelèctrica entre el ventall de les energies renovables es centra en la seva capacitat d’adaptar la seva producció a la demanda energètica exigida. La gestionabilitat d’aquest tipus de centrals s’ha aconseguit amb la integració de sistemes d’emmagatzematge tèrmic en les mateixes. La major part dels sistemes d’emmagatzematge tèrmic, ja sigui els que s’utilitzen a nivell comercial com aquells que es troben en fase de desenvolupament proposen l’ús de sals inorgàniques foses com a medi d’emmagatzematge. Aquestes sals presenten l’inconvenient de la seva alta corrosivitat a altes temperatures.

Per un costat, s’han analitzat els fenòmens de corrosió associats a les sals solars utilitzades a la planta pilot TES-PS10 mitjançant la instal·lació de racks de testimonis de corrosió als tancs de sals. A més, al finalitzar l’operació de la instal·lació pilot s’ha dut a terme un estudi post-mortem dels seus. Finalment, amb l’objectiu d’abaratir el cost de l’inventari de sals, s’ha analitzat a nivell de laboratori la corrosivitat de diferents mescles de nitrats de baixa puresa. El segon bloc de la tesi es centra en els sistemes d’emmagatzematge tèrmic en calor latent. Concretament, s’analitza la corrosió associada a la mescla peritèctica 46% LiOH-54% KOH proposta com a material de canvi de fase en un mòdul d’evaporació d’instal·lacions termoelèctriques de generació directa de vapor. D’aquesta forma, s’han dut a terme una sèrie d’assajos a nivell de laboratori amb l’objectiu d’avaluar el comportament envers la corrosió de diferents materials en contacte amb aquests hidròxids.

El creciente protagonismo de la tecnología solar se centra en su capacidad para adaptar su producción a la demanda energética exigida. La gestionabilidad de este tipo de centrales se ha conseguido mediante la integración de sistemas de almacenamiento térmico en sales fundidas. El uso de sales fundidas en sistemas de almacenamiento térmico presenta el hándicap de su corrosividad a alta temperatura.

El primer bloque de la Tesis analiza los fenómenos de corrosión asociados a las sales solares en la planta piloto TES-PS10 mediante la instalación de racks de corrosión en los tanques de sales. Además, se ha llevado a cabo un estudio post-mortem de componentes de la instalación. Finalmente, se ha analizado a nivel de laboratorio la corrosividad de distintas mezclas de nitrato de baja pureza. El segundo bloque de la tesis se centra en los sistemas de almacenamiento en calor latente. En concreto, se analiza la corrosión asociada a la mezcla peritéctica 46% LiOH-54% KOH propuesta como material de cambio de fase en el módulo de evaporación en plantas de generación directa de vapor. De este modo, se han llevado a cabo ensayos de corrosión a nivel de laboratorio para evaluar el comportamiento a corrosión de distintos materiales en contacto con los hidróxidos.

The growing of concentrated solar power (CSP) within the different renewable energies is due to its ability to adapt the production to the required energy demand. The dispatchability of this type of plants has been achieved through the integration of molten salts thermal storage systems (TES). Molten salts have a handicap associated to their corrosiveness at high temperature.

First block of this Thesis analyzes the corrosion phenomena associated with solar salts used in TES-PS10 pilot plant by installing corrosion racks in the salt tanks. Moreover, a postmortem study of different components was performed after facility shut down. Finally, in order to reduce the cost of the salt inventory in TES systems, the corrosivity of different low purity nitrates mixtures has been analyzed at laboratory scale. The second block of the Thesis focuses on latent heat storage systems. Specifically, it has been analyzed the corrosion associated with the proposed 46% LiOH-54% KOH peritectic mixture as a phase change material in the evaporation module of direct steam generation (DSG) CSP plants. Thus, corrosion tests have been performed at laboratory level to evaluate the corrosion performance of several materials in contact with such hydroxides.