نظرة عامة على التصميم الهندسي، وعلم المواد، والتطبيقات العالمية
في خضم التحول العالمي في قطاع الطاقة وعملية خفض الانبعاثات الكربونية، تُعتبر تقنيات تخزين الطاقة طويلة الأمد (LDES) وسيلةً أساسيةً لمعالجة مشكلة انقطاع الطاقة المتجددة. وقد أصبح تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الأملاح المنصهرة (TES) معيارًا أساسيًا لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) وأنظمة الطاقة النووية من الجيل التالي، وذلك بفضل كثافة الطاقة العالية، والعمر التشغيلي الطويل، والتكلفة المنخفضة، ومستوى الأمان الفائق مقارنةً بأنظمة بطاريات الطاقة الحالية. وباعتبارها الحامل الأساسي لهذا النظام، فإن تصميم وبناء خزانات تخزين الأملاح المنصهرة ينطوي على ميكانيكا إنشائية معقدة، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم المواد في درجات الحرارة العالية، وحركية التآكل الكهروكيميائي، وديناميكيات الموائع الحرارية. يقدم هذا التقرير تحليلًا شاملًا لخزانات تخزين الأملاح المنصهرة من جوانب متعددة، تشمل الأسس الفيزيائية الحرارية، والتصميم الهندسي الإنشائي، وتحديات علم المواد، والتطبيقات التجارية العالمية، والتطور التكنولوجي المستقبلي.
الأسس الفيزيائية الحرارية والمبادئ التشغيلية
يكمن جوهر تخزين الطاقة باستخدام الأملاح المنصهرة في استغلال خصائص تخزين الحرارة المحسوسة للأملاح غير العضوية في حالتها السائلة. وعلى عكس تخزين الحرارة الكامنة، يحقق تخزين الحرارة المحسوسة امتصاص الطاقة وإطلاقها عن طريق تغيير درجة حرارة الوسط، وهي طريقة أكثر نضجًا وأقل تكلفة للتطبيق الهندسي.1
التحليل الكمي الديناميكي الحراري لسعة التخزين
تخضع كمية الحرارة الإجمالية المخزنة (Q) لنظام الملح المنصهر لقانون حفظ الطاقة، ويتم حسابها على النحو التالي:
في الهندسة التطبيقية، تُحدَّد كثافة تخزين الطاقة للنظام بشكل مشترك بواسطة السعة الحرارية النوعية (Cp) والكثافة (ρ) وفرق درجة حرارة التشغيل (ΔT). فعلى سبيل المثال، عند استخدام "الملح الشمسي" (النترات الثنائية) الشائع، يمكن أن تصل سعته الحرارية الحجمية إلى حوالي 200 كيلوواط ساعة/م³ ضمن نطاق تشغيل نموذجي يتراوح بين 290 درجة مئوية و565 درجة مئوية. 2تتيح هذه الكثافة العالية للطاقة تخزين الطاقة على نطاق واسع ضمن مساحة صغيرة نسبياً.
الخصائص الحرارية الفيزيائية المقارنة لوسائط الأملاح المنصهرة
يُحدد اختيار الملح المنصهر بشكل مباشر حدود تصميم خزان التخزين. حاليًا، يُعدّ الملح التجاري الأكثر استخدامًا مزيجًا من 60% نترات الصوديوم (NaNO₃) أكثر أنواع الملح استخدامًا على نطاق واسع.3 و 40% نترات البوتاسيوم KNO3بالإضافة إلى ذلك، يجري البحث والتجريب على أملاح متخصصة لنطاقات درجات حرارة مختلفة.
| سمة | نترات ثنائية (ملح شمسي) | نترات ثلاثية (مع LiNO3) | ملح هايتك | أملاح الكلوريد (الجيل الثالث المستهدف) |
| نقطة الانصهار ($^{\circ}C$) | ≈ 240،XNUMX | ≈ 124،XNUMX | ≈ 142،XNUMX | ≈ 450-500 |
| حد الاستقرار ($^{\circ}C$) | ≈ 565-600 | ≈ 550،XNUMX | ≈ 538،XNUMX | ≈ 800+ |
| اللزوجة (عند 300 درجة مئوية، سنتي بواز) | ≈ 4-7 | ≈ 7-8 | ≈ 3-4 | منخفض (عند درجة حرارة عالية) |
| مستوى التكلفة | منخفض | مرتفع للغاية (بسبب الليثيوم) | متوسط | متوسط |
| الرئيسية التطبيق | برج/حوض الطاقة الشمسية المركزة التجاري | أبحاث LDES | من خلال الطاقة الشمسية المركزة / الحرارة الصناعية | أنظمة فوق الحرجة من الجيل التالي |
تشير الأبحاث إلى أنه على الرغم من أن الأملاح الثلاثية الحاملة لليثيوم تتميز بنقاط انصهار منخفضة للغاية، مما يقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة اللازمة لمقاومة التجمد، إلا أن سعتها الحرارية النوعية تنخفض من 1.794 جول/غرام·كلفن إلى 1.409 جول/غرام·كلفن خلال التشغيل طويل الأمد (أكثر من 15,000 ساعة تقريبًا). ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى تحلل نترات الليثيوم (LiNO₃) وتكوّن رواسب ناتجة عن تفاعل أكاسيد الليثيوم مع الشوائب.3
الهندسة الإنشائية وتكوينات الأنظمة
يجب أن يتغلب تصميم خزانات الملح المنصهر على زحف الإجهاد، والتمدد/الانكماش الحراري، وضغط عمود السائل الثقيل في بيئات درجات الحرارة العالية للغاية. وقد تطورت الممارسات الهندسية الحالية إلى عدة أشكال، بما في ذلك أنظمة الخزانين وأنظمة الخزان الواحد ذات الطبقة الحرارية.
أنظمة الخزانين: تحليل استقرار المعيار التجاري
يُعدّ تصميم الخزان المزدوج التقنية الوحيدة التي تم التحقق منها تجارياً على نطاق واسع، ويتكون من "خزان بارد" (يتم الحفاظ على درجة حرارته عند حوالي 290 درجة مئوية) و"خزان ساخن" (عادةً عند 565 درجة مئوية). وتكمن الميزة الأساسية لهذا التصميم في "الفصل التام بين الطاقة والسعة": فزيادة مدة التخزين لا تتطلب سوى زيادة حجم الخزان وحجم الملح، دون الحاجة إلى زيادة طاقة المبادلات الحرارية.4
خلال دورة الشحن، يُضخ الملح البارد من الخزان البارد، عبر مستقبل شمسي أو غلاية لاستعادة الحرارة المهدرة، ليتم تسخينه، ثم يُخزن في الخزان الساخن. أما دورة التفريغ فهي عكس ذلك، حيث يمر الملح الساخن عبر مولد بخار لإنتاج بخار فوق حرج يُشغل توربينًا لتوليد الكهرباء. يحافظ هذا النظام على درجة حرارة ثابتة عند المخرج، وهو أمر بالغ الأهمية لتوزيع الطاقة على الشبكة ولإطالة عمر التوربين البخاري.5
التخزين الحراري والتعبئة: مسارات لخفض التكاليف
بهدف خفض النفقات الرأسمالية بنسبة 35% تقريبًا، تعمل الأوساط الأكاديمية والهندسية على تطوير أنظمة الخزان الواحد. في هذا النوع من الخزانات، يُستغل التطبق الطبيعي للسائل (ملح ساخن ذو كثافة منخفضة في الأعلى، وملح بارد ذو كثافة أعلى في الأسفل)، مما يُشكل طبقة انتقالية حرارية بسمك عدة أمتار.6
- تقنية الحشو الصلب: لتقليل التكاليف بشكل أكبر، يمكن ملء الخزان بنسبة 50-75% بمواد صلبة رخيصة (مثل الحصى أو الطوب الخزفي)، حيث يعمل الملح المنصهر فقط كسائل ناقل للحرارة في المسام. تكمن تحديات هذا التصميم في الضغط الجانبي الميكانيكي للمادة الصلبة على جدران الخزان، والحفاظ على استقرار الطبقة الحرارية أثناء دورات الشحن والتفريغ.7
- تصميم الحاجز العائم: يتمثل حل مبتكر آخر في وضع قرص عائم أو حاجز بكثافة تقع بين كثافة الملح الساخن والبارد لتقليل الحمل الحراري والخلط بشكل مادي.8
تصميم أساسات الخزانات والإدارة الحرارية
لا تقتصر متطلبات أساسات الخزانات على تحمل أحمال تصل إلى عشرات الآلاف من الأطنان فحسب، بل يجب أن تتمتع أيضًا بقدرات فائقة في إدارة الحرارة لمنع جفاف التربة أو تشققها أو انهيار الخرسانة. وتستخدم خزانات الملح المنصهر الحديثة واسعة النطاق (بأقطار تصل إلى 40 مترًا وأحجام ملح تصل إلى 30,000 ألف طن) عادةً أساسات مركبة متعددة الطبقات.9
| طبقة الأساس | المواد المشتركة | وظيفة أساسية |
| اتصال أسفل الخزان | ألياف سيليكات الألومينا / الطوب الحراري | العزل الحراري؛ يقلل من تدفق الحرارة إلى الخرسانة |
| عازل حامل للأحمال | زجاج رغوي / خرسانة خفيفة الوزن | يوفر الدعم الهيكلي مع الحد من فقدان الحرارة |
| مبرد | التهوية النشطة / التبريد المائي | يحافظ على درجة حرارة الخرسانة ضمن نطاق 60-80 درجة مئوية |
| الدعم الهيكلي | أساسات الركائز والطوافات | يقلل من الهبوط غير المتساوي؛ ويعزز التكيف الجيولوجي |
تُظهر الدراسات أن استخدام أساسات الركائز يمكن أن يقلل من هبوط مركز السطح العلوي للأساس بمقدار 380.1 ملم مقارنة بالطرق التقليدية، مما يحسن بشكل كبير من سلامة الخزانات الكبيرة في الظروف الجيولوجية المعقدة.
علم المواد ذات درجات الحرارة العالية: التآكل، والزحف، والتنبؤ بالعمر الافتراضي
عند درجات حرارة التشغيل التي تبلغ 565 درجة مئوية وما فوق، لا تكون الأملاح المنصهرة مؤكسدة للغاية فحسب، بل إن خصائصها الفيزيائية تشكل أيضًا تحديات خطيرة للقوة الميكانيكية للمواد.
توصيف أداء المواد المرشحة الرئيسية
يتطلب اختيار المواد تحقيق توازن بين مقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، والتكلفة. بالنسبة للخزانات الباردة (أقل من 400 درجة مئوية)، يمكن للفولاذ الكربوني (مثل ASTM A516 Gr70) أن يحقق عمرًا افتراضيًا يصل إلى 30 عامًا مع مراعاة هامش التآكل المناسب (حوالي 0.078 مم/سنة). أما الخزانات الساخنة، فيجب استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الأداء أو سبائك النيكل.10
- الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 347H: يُعدّ حاليًا المادة الأساسية للخزانات الساخنة، ويتميز بقوة جيدة عند درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فهو حساس لتشققات استرخاء الإجهاد (SRC)، والتي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى تشققات في المناطق المتأثرة بالحرارة في اللحام.11
- AISI 316L و 321H: البدائل الشائعة التي، على الرغم من أنها أقل قوة بقليل من 347H، إلا أنها تُظهر مرونة أفضل وثباتًا ضد التآكل في بيئات ملحية محددة.
- سبائك أساسها النيكل (إنكونيل 625 / هاستيلوي إن): الخيارات الوحيدة لأنظمة أملاح الكلوريد (أكثر من 700 درجة مئوية). ورغم أدائها الممتاز، إلا أن تكلفتها الباهظة (التي تتجاوز 20 دولارًا للكيلوغرام) تحدّ بشدة من استخدامها في خزانات التخزين واسعة النطاق.12
تحليل حركية التآكل وآلياته الدقيقة
يُعد تآكل الأملاح المنصهرة عملية فيزيائية كيميائية معقدة تتأثر بتدرجات درجة الحرارة ومحتوى الأكسجين ونقاء الملح.
- التآكل الساكن ونمو طبقة الأكسيد: في الملح المنصهر الساكن، تشكل أسطح الفولاذ طبقة واقية من أكسيد الحديد (Fe2O3) أو ذات بنية الإسبينيل (Fe3O4) طبقات. ومع ذلك، فإن التدوير الحراري طويل الأمد يتسبب في تقشر هذه الطبقات، مما يؤدي إلى كشف أسطح معدنية جديدة ويؤدي إلى تآكل مستمر.
- تأثير الشوائب: أيون الكلوريد (Cl-) تُعد الشوائب السبب الرئيسي في تسريع التآكل، إذ يمكنها اختراق طبقات الأكسيد والتسبب في حدوث تنقر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتحلل شوائب أملاح المغنيسيوم عند تسخينها لإنتاج أكسيد النيتروجين.2 الغاز، وهو مادة خطرة على البيئة ويزيد من تآكل الملح.
- التآكل الكهروكيميائي: يعمل الملح المنصهر كإلكتروليت، حيث يولد تيارات جلفانية عند نقطة التقاء المعادن المختلفة أو في المناطق ذات الاختلافات في درجات الحرارة، مما يؤدي إلى فقدان سريع وموضعي للعناصر المعدنية.
هندسة الأنظمة المساعدة والمكونات الرئيسية
لا يوجد خزان الملح المنصهر بمعزل عن غيره؛ فتشغيله الفعال يعتمد على مضخات وصمامات وأنظمة مراقبة دقيقة.
قيود تصميم مضخات الملح المنصهر
تُعدّ المضخات الطاردة المركزية العمودية المعيار الأمثل لخزانات الملح المنصهر. ونظرًا لمحدودية نسبة أبعاد العمود والتحكم في الاهتزازات عند درجات الحرارة العالية، يُقتصر عمق خزانات الملح المنصهر عادةً على 14 مترًا. ويعود ذلك إلى أن الأعمدة الأطول عُرضةٌ بشدة لتشوه الزحف الحراري واختلال التوازن الديناميكي عند 565 درجة مئوية. علاوة على ذلك، يجب أن تتحمل أنظمة منع التسرب في المضخات رذاذ الملح والتآكل المحتمل لبلورات الملح.
التحديات التقنية لصمامات الملح المنصهر ذات درجة الحرارة العالية
يُعدّ تحقيق "انعدام التسريب" في درجات الحرارة القصوى تحديًا هندسيًا كبيرًا. يجب أن تعالج صمامات الملح المنصهر القضايا الرئيسية التالية:
- تصميم مقاوم للتجمد: عادة ما يتم دمج الصمامات مع أنظمة التتبع الحراري الكهربائي لضمان بقاء درجة الحرارة الداخلية أعلى من نقطة تصلب الملح (على سبيل المثال، 240 درجة مئوية) لمنع ساق الصمام من "التجمد".
- إغلاق صندوق الحشو: تتأكسد حشوات الجرافيت التقليدية عند درجة حرارة أعلى من 500 درجة مئوية. أما التصاميم الحديثة فتستخدم غالباً أغطية ممتدة لإبعاد الحشوات عن مصدر الحرارة ودمجها مع مواد مركبة مثل ألياف PBI.
- تخفيف الإجهاد الحراري: يجب أن تخضع أجسام الصمامات لتحليل العناصر المحدودة (FEA) لضمان عدم حدوث تشوه في المقعد أثناء عمليات بدء التشغيل والإيقاف الحراري المتكررة.
دروس من المشاريع التجارية وتحليل الإخفاقات: حالة كريسنت ديونز
لقد قدم مشروع كريسنت ديونز (110 ميجاوات) في ولاية نيفادا بالولايات المتحدة الأمريكية، باعتباره أول محطة طاقة شمسية مركزة من نوع البرج على نطاق تجاري واسع في العالم مع تخزين الملح المنصهر، دروسًا لا تقدر بثمن لهذه الصناعة.
تحليل الأسباب الجذرية لتسربات أرضية الخزان
منذ بدء تشغيله في عام 2015، شهد المشروع أربعة تسريبات رئيسية في خزانات الملح الساخن، مما أدى إلى عمليات إغلاق طويلة الأمد وإفلاس في نهاية المطاف.
- انبعاج أرضية الخزان: بسبب القطر الهائل للخزان الساخن وفرق درجة الحرارة التشغيلية الكبير، تولدت ألواح الأرضية الفولاذية إجهاد ضغط هائل عندما تم تقييد التمدد الحراري، مما أدى في النهاية إلى انبعاج وتشوه لأعلى.
- تفاعل الإجهاد المتبقي في اللحام: أشارت تحليلات الأعطال التي أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) إلى أن الإجهادات المتبقية الأولية المتولدة أثناء اللحام الميداني كانت بمثابة "بصمة" للعطل. وخلال التشغيل، تضافرت هذه الإجهادات مع إجهادات الدورة الحرارية لتتجاوز مقاومة الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ 347H، مما أدى إلى ظهور تشققات الإجهاد.
- الخلط غير الكافي: إذا لم يختلط تدفق الملح الساخن بشكل كافٍ مع مخزون الملح الموجود، فقد تتشكل تدرجات حرارية حادة في قاع الخزان. ويُعد هذا الحمل الحراري غير المنتظم سببًا رئيسيًا للتشقق.
كإجراء مضاد، اضطرت المحطة في النهاية إلى خفض درجة حرارة التشغيل من 565 درجة مئوية المصممة إلى ما يقرب من 450-480 درجة مئوية، مما أدى إلى انخفاض في إنتاج الطاقة بنحو 45٪، مما أدى إلى تقويض الجدوى الاقتصادية للمشروع بشكل كبير.
المشهد العالمي لتخزين الأملاح المنصهرة: صعود الصين
على الصعيد العالمي، أصبحت الصين السوق الأكثر نشاطاً لتكنولوجيا تخزين الأملاح المنصهرة، حيث تتصدر العالم من حيث حجم المشاريع وسرعة التطور التكنولوجي.
نظرة عامة على سوق الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الشمسية منخفضة الطاقة في الصين
بحلول نهاية عام 2025، قامت الصين ببناء 27 نظامًا للطاقة الشمسية المركزة بقدرة إجمالية مركبة تبلغ 1,738.2 ميغاواط، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 107٪ مقارنة بعام 2024.
| الشركة / المشروع | طريق التكنولوجيا | المقياس / مدة التخزين | الحالة |
| كوسين للطاقة الشمسية | برج الملح المنصهر | 350 ميغاواط (جولمود) | أكبر وحدة منفردة في العالم، قيد الإنشاء |
| شوهانغ للتكنولوجيا العالية | برج الملح المنصهر | 100 ميجاوات (دونهوانغ) | أثناء التشغيل، حطمت أرقاماً قياسية متعددة |
| شركة سي إتش إن للطاقة (آنهوي سوتشو) | تخزين الفحم والملح المنصهر | 1,000 ميجاوات | أكبر مشروع محلي لمرونة محطات توليد الطاقة بالفحم |
| الطاقة الجديدة CSSC | حوض الملح المنصهر | 100 ميغاواط (أوراد ميدل بانر) | تم توليد 301 مليون كيلوواط ساعة في عام 2025 |
لا تنعكس ريادة الصين في القدرة فحسب، بل تنعكس أيضًا في سيناريوهات مبتكرة مثل "الفحم + التخزين". من خلال إضافة خزانات تخزين الملح المنصهر إلى محطات الطاقة التي تعمل بالفحم، يمكن تحقيق الفصل الحراري الكهربائي، مما يوفر لوحدات الفحم قدرة على توليد ذروة عميقة بمستوى 100 ميجاوات، ويتيح استهلاك ما يقرب من 128 مليون كيلوواط ساعة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية سنويًا.
عملية التقييس: من معهد البترول الأمريكي (API) إلى معيار ASME TES-1
نظراً لقيود المعايير التقليدية، يدخل مجال تخزين الأملاح المنصهرة عصراً من القوانين واللوائح المتخصصة. وقد أدى إصدار هذه القوانين واللوائح إلى ظهور... ASME TES-1 (2020/2023) معيار السلامة لأنظمة تخزين الطاقة الحرارية: الملح المنصهر يمثل هذا المعيار تحولاً في الصناعة من التصميم التجريبي إلى التصميم القائم على المعايير. ويحدد هذا المعيار المتطلبات عبر دورة الحياة الكاملة - من التصميم والتصنيع والتركيب إلى الإيقاف النهائي - ويغطي كل جانب تقني للخزانات والمضخات والصمامات والمبادلات الحرارية. كما تقود شركات صينية مثل كوسين سولار عملية إعداد العديد من المعايير الوطنية لتخزين الطاقة الحرارية باستخدام الأملاح المنصهرة، مما يعزز الأساس التقني لهذه الصناعة.
تطبيقات متنوعة وتوقعات مستقبلية
يتوسع استخدام خزانات تخزين الملح المنصهر من الطاقة الشمسية المركزة إلى الطاقة النووية والتدفئة الصناعية وإنتاج الهيدروجين.
مفاعلات الملح المنصهر (MSR): مستقبل الطاقة النووية
في مفاعلات الملح المنصهر، لا يعمل الملح المنصهر كمبرد فحسب، بل يعمل في كثير من الأحيان كمذيب للوقود النووي.
- مزايا السلامة: تعمل مفاعلات الملح المنصهر عند الضغط الجوي، مما يلغي مخاطر الانفجار المرتبطة بمفاعلات الماء الخفيف ذات الضغط العالي. يتمدد ملح الوقود بشكل طبيعي عند ارتفاع درجة حرارته، مما يخلق تأثيرًا ارتداديًا سلبيًا يبطئ التفاعل.
- إدارة المخلفات: يسمح الوقود السائل بإعادة المعالجة عبر الإنترنت، وتحويل الأكتينيدات طويلة العمر إلى وقود، وتقليل متطلبات نصف العمر للنفايات النووية بشكل كبير (من عشرات الآلاف من السنين إلى حوالي 300 عام).
تكامل الحرارة والهيدروجين في العمليات الصناعية
يمكن أن تعمل خزانات الملح المنصهر كـ "بطاريات حرارية"، حيث توفر حرارة معالجة مستقرة وعالية الحرارة للصناعات الثقيلة التي يصعب خفض حرارتها مثل صناعة الصلب والسيراميك والمعالجة الكيميائية.
- الهيدروجين الأخضر: يمكن استخدام الحرارة ذات درجة الحرارة العالية المخزنة في الأملاح المنصهرة لتشغيل التحليل الكهربائي للبخار عالي الحرارة (SOEC) أو الدورات الكيميائية الحرارية لإنتاج الهيدروجين، بكفاءات أعلى بكثير من التحليل الكهربائي منخفض الحرارة.
- استعادة الحرارة المهدرة: يمكن تخزين الحرارة المهدرة الصناعية في خزانات الملح المنصهر وتحويلها إلى كهرباء أو بخار صناعي خلال فترات ذروة الطلب، مما يحقق استخدامًا فعالًا ومتتاليًا للطاقة.
اتجاهات التطور التكنولوجي
في العقد القادم، سيركز تطوير خزانات تخزين الملح المنصهر على ثلاثة اتجاهات رئيسية:
- تحديات درجات الحرارة العالية للغاية (الجيل الثالث): ستؤدي أنظمة أملاح الكلوريد إلى رفع درجات حرارة التشغيل إلى ما يزيد عن 700 درجة مئوية. وهذا سيغير تصميم الخزانات تماماً، إذ سينتقل من استخدام "المعدن الحامل للأحمال" إلى استخدام "العزل الخزفي الداخلي + الدعم المعدني الخارجي".
- التوائم الرقمية والصيانة التنبؤية: استخدام تقنيات استشعار ألياف براغ (FBG) وتقنية الارتباط الرقمي للصور (DIC) لمراقبة إجهاد الخزان في الوقت الحقيقي، وبناء نماذج قائمة على الفيزياء لتحديد شقوق الإجهاد في وقت مبكر.
- الطلاءات الجديدة وتعديل الأسطح: إن تطوير الطلاءات الخزفية المقاومة للتآكل أو البطانات المركبة متعددة الطبقات على أسطح الفولاذ غير المكلفة يحمل في طياته وعداً بالحفاظ على عمر افتراضي يصل إلى 30 عاماً مع تقليل تكاليف المواد بشكل كبير.
ختاماً، لا يُعدّ خزان تخزين الملح المنصهر تقنية هندسية ناضجة فحسب، بل هو أيضاً مجال بحث علمي متطور باستمرار. ومع تحقيق إنجازات في علم المواد وإتقان التوحيد القياسي، سيُشكّل هذا الخزان حلقة وصل أساسية لا غنى عنها في بناء أنظمة طاقة مرنة ومنخفضة الكربون على مستوى العالم.
الرقم المرجعي
- تخزين الطاقة الحرارية – ويكيبيديا
- تخزين الأملاح المنصهرة لتوليد الطاقة
- التقييم طويل الأمد لمزيج ثلاثي من الأملاح المنصهرة في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية: التأثير على الخصائص الفيزيائية الحرارية والتآكل – PubMed
- خزانات الأملاح المنصهرة لتخزين الطاقة الحرارية: جوانب يجب مراعاتها أثناء التصميم - MDPI
- https://rpow.es/energy-storage-solutions/molten-salt-energy-storage/
- الاستقرار الحراري لأملاح النتريت/النترات المنصهرة لتخزين الطاقة الحرارية الشمسية في بيئات مختلفة | اطلب نسخة PDF – ResearchGate
- نظرة عامة وفهم معمق لأملاح النترات لتخزين الحرارة المحسوسة والكامنة – PMC – PubMed Central
- تخزين الطاقة الحرارية في الأملاح المنصهرة: نظرة عامة على المفاهيم الجديدة ومرفق اختبار DLR (TESIS)
- مخطط هيكلي لخزان الملح المنصهر. | تحميل الرسم التخطيطي العلمي
- تصميم تخزين الطاقة الشمسية باستخدام الأملاح المنصهرة عند درجة حرارة 565 درجة مئوية، والتآكل، والعزل - دار نشر ديفيد
- تحليل الأعطال لخزانات تخزين الطاقة الحرارية بالملح المنصهر لمحطات الطاقة الشمسية المركزة قيد التشغيل
- دراسة تطبيقية لصمامات الوسائط المسببة للتآكل عالية الحرارة في السوق الدولية
1. ما هو وسط الملح المنصهر الأكثر استخدامًا في الأنظمة التجارية؟
المعيار الصناعي لتخزين الطاقة على نطاق واسع هو ملح النترات الثنائييُشار إليه غالبًا باسم "الملح الشمسي". ويتكون من خليط غير متجانس من 60% نترات الصوديوم (NaNO3).3) و 40% نترات البوتاسيوم (KNO3يبقى هذا المزيج في حالة سائلة بين درجة حرارة تشغيل دنيا تبلغ 290 درجة مئوية ودرجة حرارة قصوى تبلغ حوالي 565 درجة مئوية. بينما الأملاح الثلاثية المتقدمة (مع LiNO3)3على الرغم من انخفاض درجات انصهارها، إلا أن النترات الثنائية لا تزال مفضلة نظرًا لتوازنها الأمثل بين التكلفة والاستقرار الحراري والسعة الحرارية.
2. لماذا تكون خزانات الملح المنصهر عرضة للتسرب والانهيار الهيكلي؟
تُعزى حالات الفشل الأخيرة في خزانات درجات الحرارة العالية بشكل أساسي إلى عدة عوامل هندسية:
انبعاج أرضية الخزان: تؤدي الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة عبر أقطار الخزانات الكبيرة إلى تقييد التمدد الحراري، مما يؤدي إلى قوى ضغط عالية تتسبب في انبعاج أو تشوه ألواح الأرضية الفولاذية.
تقنية تخفيف التوتر والاسترخاء (SRC): المواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 347H، والتي تستخدم عادة في الخزانات الساخنة، معرضة بشدة لظاهرة SRC في المناطق المتأثرة بالحرارة أثناء دورات التسخين والتبريد.
التدرجات الحرارية: يمكن أن يؤدي عدم كفاية الخلط بين الملح الساخن الوارد ومخزون الملح الموجود إلى خلق تدرجات حرارية موضعية شديدة، والتي تتجاوز بشكل كبير قوة تحمل المادة.
3. كيف يختار المهندسون المواد لأنواع الخزانات المختلفة؟
يتم تحديد اختيار المواد بدقة بناءً على درجة حرارة التشغيل ومعدلات التآكل الناتجة:
خزانات التبريد (أقل من 400 درجة مئوية): يعتبر الفولاذ الكربوني غير المكلف (مثل ASTM A516 Gr70) هو المعيار، حيث أن معدلات التآكل عند درجات الحرارة هذه يمكن التحكم فيها.
خزانات المياه الساخنة (حوالي 565)℃): تُعتبر الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية، وتحديداً AISI 347H أو 316L أو 321H، مطلوبة لقوتها الفائقة في مقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية ومقاومتها لأكسدة النترات المنصهرة.
أنظمة الجيل الثالث (> 700℃): لا يمكن إلا لسبائك النيكل العالية (مثل Inconel 625 أو Hastelloy N) أن تتحمل أملاح الكلوريد شديدة التآكل عند درجات الحرارة هذه، على الرغم من أن تكلفتها العالية (حوالي 20 دولارًا/كجم) لا تزال تشكل عائقًا.
4. ما هي المعايير الصناعية الرئيسية لتصميم خزانات الملح المنصهر؟
تاريخياً، صُممت الخزانات باستخدام معايير عامة للبترول أو أوعية الضغط مثل API 650 أو ASME القسم الثاني، والتي أثبتت محدوديتها في مواجهة دورات التبريد والتسخين الشديدة. ولمعالجة هذه المشكلة، أصدرت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) معيار TES-1 (معيار السلامة لأنظمة تخزين الطاقة الحرارية: الملح المنصهر)، مع أحدث إصدار تم نشره في عام 2023. يوفر هذا المعيار المخصص متطلبات شاملة لدورة حياة المعدات بأكملها - بما في ذلك التصميم والبناء والاختبار والتفكيك.
5. ما هي التطبيقات المتاحة لخزانات الملح المنصهر بخلاف الطاقة الشمسية؟
يتم تطبيق تقنية تخزين الأملاح المنصهرة بشكل متزايد لتنويع مصادر الطاقة:
إعادة تأهيل محطات الفحم حرارياً: من خلال دمج خزانات الملح المنصهر في محطات الفحم القائمة، تستطيع شركات الكهرباء فصل إنتاج الحرارة عن توليد الكهرباء. فعلى سبيل المثال، يوفر مشروع محطة سوتشو التجريبية التابعة لشركة CHN Energy سعة تخزين تبلغ 1,000 ميغاواط/ساعة لتعزيز مرونة الشبكة في تخفيف ذروة الطلب.
مفاعلات الملح المنصهر (MSRs): في الجيل القادم من الطاقة النووية، تعمل الأملاح المنصهرة كمبردات ومذيبات للوقود في آن واحد. وتعمل هذه الأنظمة عند الضغط الجوي مع ميزات أمان سلبية، مثل "سدادات التجمد" التي تصرف الملح إلى وعاء احتواء في حالة حدوث ارتفاع مفرط في درجة الحرارة.
الحرارة الناتجة عن العمليات الصناعية: تعمل هذه الخزانات كـ "بطاريات حرارية" لتوفير حرارة عالية الجودة (600 درجة مئوية) للقطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها مثل إنتاج الصلب والتصنيع الكيميائي وإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي عالي الحرارة.
