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-— HJ_J Technische Mitteilung TM-HL-233%
Abteilung: HL Bearbeiter: Prof. M. Taube /skh Visum: j,flfi
Betrifft: Datum: 7 8, 74

Salgschmelfiesp§icher_anstatt Hydropumpen- 31 ek
spelcher fir die Speicherung der elek-
trischen Energie. Zeichnungen
Inhaltsverzeichnis Sai

1. Allgemeine Bemerkungen 2

2. Ausgangsdaten l

3. Fest/fliissiger Speicher 5

4. Widrmeaustauscher und Kristallbildung 9

5. Korrosionsprobleme 11

6. Wirmeaustauscher; naive Rechnung 13

7. Der Dampfkreislauf 15

8. Die Pumpspeicherwerke und andere Speicher L

9. Anwendungsgebiet 18
10. Resumé 19
11. Literatur 20

Verteiler

Abteilung | Name Expl. | Abteilung | Name Expl.
GL Prof. H. Grédnicher 1 DO Bibliothek 3
Dr. P. Tempus 1)
Dr. W. Seifritz 1 Reserve L5
Dr. W. Zinti 1
HL Dr. J. Peter 1
IN P. Moser 1
Dr. G. Markoczy 1
ME Dr. K.H. Buob 1
ST Dr. G. Sarlos 1,
J.C. Mayor ; 8
Mr. Pinto 1

- Dieses Dokument ist Eigentum des Eidg. Institutes fur Reaktorforschung -

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Seite 2

1. Allgemeine Bemerkungen

Ich gehe von folgenden Standpunkten aus:

a)

b)

c)

d)

e)

£)

Nicht nur die Erzeugung und der Verbrauch sondern auch die
Speicherung der Energie (als Resultat der Diskrepanz zwischen
konstanter Leistung des Produzenten und variabler Leistung
des Verbrauches) ist von grosser thermodynamischer, oeko-

logischer wie auch technooekonomischer Wichtigkeit.

Die grossten Leistungsdifferenzen in der Erzeugung und im
Verbrauch der elektrischen Energie befanden sich zwischen
Nacht und Tag und waren im Sommer speziell ausgeprégt (im
Winter wird man in Zukunft die elektrische Raumheizung er-

weitern).

Es wird immer teurer und schwieriger werden den "klassischen"
Nacht /Tag-Speicher der elektrischen Energie, d.h. das Pump-
speicherwerk zu bauen.(l’z’S)

Flilr eine langfristige Speicherung, z.B. Sommer/Winter, ist
die Speicherung in Form von chemischen Brennstoffen wie z.B.
Wasserstoff (oder flissiger Ammoniak) am besten geeignet. Man
soll aber den relativ kleinen Wirkungsgrad, der mit einem

langen Umwandlungsweg verbunden ist, nicht tbersehen. (Fig. 1)

Die Speicherung der elektrischen Energie kann man auch mit der
Speicherung des Hochtemperatur-Wasserdampfes realisieren, was
speziell in den ndchsten 20 Jahren (in der Schweiz) flr

Leichtwasser-Reaktoren von praktischer Bedeutung sein kann.

Die Speicherung des Hochtemperatur-Hochdruckdampfes ist mdglich
mit Hilfe der chemischen Energie in einem isothermischen Fest/
Flissigkeitsspeicher, in welchem die Enthalpie des Salzschmel-

zers die Rolle der Niederdruck-Hochtemperaturspeicherung spielt.
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2. Ausgangsdaten

Kernkraftwerk mit Leichtwasserreaktor

Elektrische Leistung: 1000 MW(el)

Dampf : Eintritt in Hochdruck-Turbine
280°c, ~ 70 bar

Wirkungsgrad, netto: n = 3%%

a) 1in elektrischer Energie:
Ueberschuss: 200 MW(el) x 10 Std = 2000 MW hr(el)

in thermischer Energie (Wirkungsgrad = 0,33)
2000 MW hr(el) / 0,33 = 6000 MW hr(th)
b) Energieentnahme (Energieverluste sehr klein)

in thermischer Energie = 6000 MW hr(th)
Wirkungsgrad = 0,27

in elektrischer Energie: 6000 x 0,27 = 1620 MW hr(el)

Bei Entnahme in etwa 5,5 Std. entspricht dies einer Leistung
von ~ 300 MW(el).
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3, Fest/flissiger Speicher

3.1 Physiko-chemische Daten

Hier postuliert man einen isothermischen Speicher der unter norma-

lem Druck arbeitet. Die konstante Temperatur ist wie folgt postu-

liert:
Eintrittstemperatur 280 °¢ (Dampf: ~70 bar)
(in Speisungsperiode)
Speicher-Temperatur ' 260 °c
Austritts-Temperatur 240 ¢ (Dampf)

(in Entnahmeperiode)

Als arbeitendes Medium ist hier Natronlauge postuliert, NaOH als
Eutektik mit anderen Substanzen (als Beispiel: KNO2 oder Cal).
Diese Eutektik hat folgende Eigenschaften, die hier im Sinne der

Natronlauge angenommen wurden:

Temperatur der Schmelze T = 260 °C
Eutektik; Zusammensetzung NaOH 80 % mol%
MeX 20 % mol%
Siedetemperatur >1300 °c
Enthalpie des Schmelzens 160 J/g+160 J/g = 320 J/g

Flir detaillierte physiko-chemische Daten von geschmolzener Natron-
lauge siehe 4,5,6,10.
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3.2 Grosse des Tanks

Thermische Energie zum Speicher: 3.16-1013 J = 6000 MW hr(th)
Enthalpie des Schmelzens: 320 J/g

Menge des Wiarmetrigers:

2.16-101°7

5 = T72'000 Tonnen
3.0°10" J/g

Volumen des Widrmetrégers:

\
72'000 Tonn;n * 40'000 m°

1.8 Tonne/m

Effektivitdt des Volumens ausnutzbar filir feste Stoffe: 90 2%

Volumen, total = 45'000 m° (H = D = 36 m)

Masse, total 80'000 Tonnen

Kosten des Wirmetrigers (sehr grob geschitzt!)

80'000 ¢ 500 sFr./Tonne = 40 Mega Fr.

Kosten des Tanks (grob geschidtzt) = 30 Mega Fr.

Geometrie des Tanks: HOhe 36 m
Durchmesser %6 m

Oberfldche des Tanks: 6200 m2
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Warmeverluste (trotz Isolation mit Glaswolle): A = 0.05 W/mK
d = 0.5 m
, 0.05 W/mK 5 N 5
V = + 6200 m (2207 - 0°C) = 136 kW
0.5 m

V. = 136 kW - 10 Std. - 3,6-10° s = 5000-10° J = 5°10%7
5.0°10° J 0
V(%) = 13 = 2.3%3-10 sehr klein
2.16°10
Bemerkung :
Speicherkapazitidt der Salzschmelze:
320 J/g = 3,2-10° J/kg
- 3. N 3 - . 6
1 KW hr = 10°:3,6°10° J = 3,6-10° kW hr(th)
0.32-10° :
Salz = — = 0,09 kW hr(th)/kg = 0,03 kW hr(el)
3.6-10

Bleiakkumulator = 0,03 kW hr(el)/kg
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4, Warmeaustauscher und Kristallbildung

Das wichtigste Problem diesef Art der Speicherung liegt in fol-

gendem Mechanismus:

1) Speisung der Wdrme: AQ = Schmelze-Enthalpie

T-konstant _

AQ + feste Salze geschmolzene Salze

2) Entnahme der Wirme:

Geschmolzene Salze T—konstant= feste Salze + AQ

Im zweiten Schritt, d.h. bei Wdrmeentnahme, entsteht neben der

flissigen auch eine bestimmte Menge der festen Phase.

Es gibt hier zwei Mdglichkeiten:

1) Die Erstarrung der Schmelze entwickelt sich auf der k8lteren
Oberfléche im Widrmeaustauscher. Somit verschlechtert sich der
Wdrmefluss wesentlich, was zu einer Vergrdsserung der Wirme-
austausch-Oberflédche fihrt.

2) Die Erstarrung der Schmelze beginnt dort, wo die Keimbildung
am grossten ist, d.h. in der Turbulenz der fliessenden Fliissig-
keit die relativ entfernt von der Widrmeaustausch-Oberfliche

durch eine laminare Flissigkeitsschicht geschiitzt ist.

Das Ganze ist in erster Linie durch die Unterkiihlung und das Er-
reichen der ndétigen thermodynamischen Potentialdifferenz kontrol-
liert, was zur Entstehung des Keimes und zur Erreichung des kriti-
schen Radius und dann endlich zur Bildung der neuen, festen Phase
fihrt. In dieser Betrachtung nehme ich den Phasenwechsel durch
heterogene (Fremdkerne) Keimbildung nicht in Kauf. Man muss hier
nicht zugeben, dass der Prozess der Kristallisation ein vielfach
kompliziertes aber relativ gut untersuchtes Phdnomen ist. Leider

ist die Steuerung dieses Prozesses keine einfache Aufgabe (7’8).
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Als mbgliche L&sung des Problems der Steuerung der Kristallbil-
dung in gekiihlten Schmelzen darf man die Ultraschall-Vibrationen
erwdhnen, welche der Inkrustation auf der Austausch-Oberfliche

(6)

Ebenen: die Fdérderung der Keimbildung in der Turbulenz der

vorbeugen Der wahrscheinliche Mechanismus liegt in zwei
Fllissigkeit durch Kavitationen und die Befreiung der Oberfliche

von "neugeborenen" Keimkristallen.

Zweifelsohne ist dieses Phidnomen kritisch, und bevor man an der
Realisierbarkeit dieses Speichers weiter arbeiten kann,muss man
eine tiefere Studie wenn nicht ein Experiment liber die Keimbil-

dung in der unterkiihlten Flissigkeit durchfiihren.

Eine andere nicht leichte aber doch l&sbare Aufgabe ist das Er-
zeugen einer mehr oder weniger stabilen Suspension der Kristalle

in der Schmelze, aber so, dass der Anteil der festen Phase weit
liber 3/4 der ganzen Masse erreicht. Nur so ist eine durchschnitt-
liche Widrmekapazitdt zu garantieren. Zuletzt ist das Pumpen dieses
Breis durch den Wd&rmeaustauscher in der Etappe der Wirmespeicherung
von grosser Wichtigkeit um die Schmelzung der Kristalle zu reali-

(1)

sieren und fir den Erfolg des Unternehmens

Fazit: Eine Reihe von Problemen iliber FestkOrper-Schmelze ist zu
kldren und zu l8sen bevor diese Speicherungsidee reali-

sierbar wird.
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5. Korrosionsprobleme

NaOH ist ein sehr gut bekannter Stoff, welcher j&hrlich in

Millionen Tonnen produziert wird.

Das beste Konstruktionsmaterial in geschmolzenem Zustand im Tem-
peraturbereich von etwa 300 °c ist Stahl bedeckt mit metallischem
Nickel. Die Korrosion des Nickels ist noch kleiner wenn die
Atmosphédre lber dem geschmolzenen NaOH reduktiven Charakter hat,

z.B. als eine Mischung N2-H (90%) (M’S).

2

Die elektrochemischen Schutzmethoden sind auch hier brauchbar (11).

Ein unglinstiger Faktor wire der Eintritt von Wasser in die Natron-
lauge (umgekehrte Richtung ist unmdglich, weil die Druckdifferen-
zen etwa ~50 bar ausmachen). Eine kontinuierliche Entfernung von
Dampf aus der Natronlauge, bei einer Temperatur von 260 0C,
scheint mit Hilfe des entsprechenden Gaskreislaufes mdglich und

nicht allzu strapazids zu sein.
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6. Warmeaustauscher; naive Rechnung

In der Etappe der Widrmeentnahme postuliert man hier:

- Geschmolzene NaOH/MX Eutektik fliesst durch Rohre von 2,5 cm
Durchmesser, mit einer Geschwindigkeit von ~1,5 m/s was einem

(5)

Warmetransport-Koeffizienten entspricht von
B 2
h = 0,674 W/em“ K

Flir die Temperaturdifferenz in der Salzphase (AT = 10°C) be-
trégt der Widrmefluss in 1 cm Li&nge des Rohres:

Watt

H=0,67T4 « 10 * (2,5.3,14) = 53 e

Ich postuliere hier:

- Das Rohr hat eine Linge von = 10 m
- Die eintretende Schmelze hat keine feste Phase

- Die aus dem Rohr austretende Fliussigkeit besteht aus ~12 % fester
Phase und 88% fliissiger Phase.

- Die Massengeschwindigkeit
T 2% . 3 -
(150 cm/s)°(z-2,5 )* (1,8 g/em”) = 1350 g/s

- Die Enthalpie der Kristallbildung:

(1350 g/s)+(0,12)+320 J/g ~
1000 cm

53 W/cm

Dies entspricht dem Wirmefluss.
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Flir die Dampf/Wasser-Seite gibt es folgende Annahmen:

- hDampf > -Bga1e
- v =1 m/s
- p = 0,5 g/cm3 (Mischung Dampf-Wasser)

- Querschnitt: 3,4 cm2 (4 mm zwischen Rohr)

" Siedeenthalpie 1590 J/g (270 °c, 55 bar)
Der Wiarmefluss ist viel grésser als der

flir die Salzseite

Watt
53
1 cm Lénge
Wirmeaustauscher:
10 m lang
" " W _
1 Rohr = 1000 53 o 53 kW

Zahl der Rohre flir 300 MW(el); 27 % Wirkungsgrad

1110-10° KW(th)
53 kW/Rohr

= 21'000 Rohre

Querschnitt des Wirmeaustauschers:

21'000 < 9 cm2 = 189'000 cm2 = 18,9 m2
Durchmesser: 4,9 m
Geometrie des W&rmeaustauschers:

Lé&nge 10 m

Durchmesser 4.9 m

Zahl der Rohre 21'000

Rohre 2.5 em int. (70 bar)

Salzgeschwindigkeit 1.5 m/s
Masse der Rohre = 200 Tonnen (grob geschitzt!)

Kosten des Wdrmeaustauschers (mit Pumpen) ~ 20 Mega Fr.
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7. Der Dampfkreislauf

1) Widrmespeiserung

Dampf I (280 °) -~ Wasser (280 °¢)

2) Wiarmeentnahme

wasser (240 °0) > Dampf II (240 °¢)

Geschaltete Wirkungsgrade in der Turbine:

Dampf T ~33% %
Dampf II ~27 %

Relative Verluste der elektrischen Leistung in Bezug auf 20%

gespeicherte Energie

Wirkungsgrad der Speicher = 81 %
Mittlere Verluste der Energie
fiir ganzer KKW 2 3.63 %

Der Mitteldruck und die Nieder-Turbinen miissen "ueberdimensioniert"
sein, d.h. sie missen nicht filir nominale 1000 MW(el) sondern flir

etwa 1300 MW(el) ausgelegt werden.

Die Zusatzkosten betragen ca. 20 Mega Fr..
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Zum Speichern von 200 MW(el) wdhrend 10 Stunden

Zur Entnahme von 300 MW(el) wdhrend 5 Stunden

Kosten Mega Fr.
Wirmetriger 4o
Tank (mit Isolation) 30
Wirmeaustauscher mit Pumpen 20

Turbogenerator (130% der nominalen
Leistung) 20

Total 110 Mega Fr.

Einheitspreis:
rr.
Flir gespeicherte Leistung (200 MW(el)) = 550 ———
kW(el)
Fr.
Fliir entnommene Leistung (300 MW(el)) = 367

kW(el)
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8. Die Pumpspeicherwerke und andere Speicher

Es ist bekannt, dass seit einigen Jahren Abkl&rungen fiir m6gliche
Standorte von reinen Pumpspeicherwerken im Gange sind. Bedingt
durch wirtschaftliche Ueberlegungen, aber auch aus Griinden des
Natur- und Heimatschutzes, steht die Schweiz heute nahe am End-

(2)

ausbau der Wasserkridfte

In der Schweiz scheinen die heutigen Kosten pro 1 kW(el) so auszu-

sehen:

1) Kernkraftwerk LWR
von etwa 1000 MW(el)

2) Pumpspeicherwerke

n

1850 Fr. (Kohn, 1974)

1000 - 1200 Fr. *)

von etwa 360 MW(el) mit (Verband Schweiz. Elektr,;
einem Wirkungsgrad von - direkte Information, Juli 1974)
70-75 %.

*) Bemerkung: flir kleinere Werke bis 2200 Fr./kW(el)

In einer Publikation des Amtes fir Wasserwirtschaft(l) wird
immer noch liber einen Preis von %550 Fr. (Preisbasis 1967) ge-

sprochen. Dies entspricht heute einem Preis von 880 Fr./kW(el).

In den USA kostet das grdsste Speicherwerk in Luddington
(1900 MW(el):

alte Preise: 180 U$/kW(el) neue Preise: 220 U$/kW(el)
~540 sFr./kW(el) ~660 sFr./kW(el)

Als weit mehr ausgekliigelte Energiespeicher-Technologien kann man
noch folgende erwdhnen, obwohl es noch keine solchen Anlagen in

diesen Massstidben gibt:

- Speicherung in Elektrobatterien, z.B. in Lithium-Schwefel-Hoch-
temperatur-Akkumulatoren. Man hat die Kapitalkosten auf ca.

150 $/kW(el) geschitzt (12) was relativ billig ist im Vergleich
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mit den heutigen Kosten. Die Lebensdauer schdtzt man auf
3 bis 5 Jahre, was auch optimistisch ist. Fir eine 30-j&hri-
ge Periode steigen die Kosten auf iiber 1000 U$/kW(el).

(13), in der Gr&ssen-

Speicherung in supraleitenden Magneten
ordnung von ca. 40 TJ, entspricht etwa 1800 MW(el) bei 6-Stun-
denbetrieb pro Tag. Die Kapitalkosten sind, abh&ngig vom

System (Solenoid oder Toroid, kalt oder warm), auf 470 $/kW(el)

bis 900 $/kW(el) geschidtzt. Die Lebensdauer hat man aber sehr

optimistisch auf 50 Jahre postuliert.

9. Anwendungsgebiet

Diese hier diskutierte Anwendung eines fest/fllissigen, isother-
mischen Speichers flir Dampf/Wasser-Energie ist an die Leicht-

wasserreakforen angepasst.

Flir die ndchsten Generatoren, z.B. HTGR-Reaktoren, ist ein &hn-
liches System méglich, z.B. eine NaCl-CaCl2-Eutektik fiir iso-

thermische Speicherung in etwa 500 °c. Dies entspricht dem Dampf-
parameter in HTGR. (Bemerkung: Es sind noch keine Schidtzungen

vorhanden. )

Flir HHT-Reaktoren muss die ganze Speicherungs-Philosophie durch-

dacht werden.
10. Resumé

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Die fest/fliissigen Speicher haben folgende Eigenschaften:

Vorteile:

Nachteile:

keine Beeinflussung der Natur, speziell

keine Aenderungen in den Alpen.

hohen Wirkungsgrad: 80 %

keine Fernleitungen: Kraftwerk-Pumpwerk
kleinere Kapitalkosten

unbegrenzte Ausbaumdglichkeiten, nicht durch

geographische Parameter beschrénkt.

gut bekannte Materialien.

unbekannte Technologie, speziell
a) Kristallisationsbildung in Schmelzen

b) Korrosionsprobleme

keine seridse Studie ist vorhanden
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11. Literatur

(1) Pumpenspeicherméglichkeiten in der Schweiz.
EVED, Amt fiir Wasserwirtschaft, Mitteilung Nr. 46, 1972

(2) Triimpy E.

Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie in der
Schweiz.

SEV Bulletin, Juni 1974

(3) Energy Storage (I). Using electricity more efficiently.
Science, 785, May 1974

(4) Gmeling Handbuch der Anorg. Chemie, Volume 21, Na. Erg.,
1970, Seiten 833 - 846 wund 79 - 95.

(5) Gregory J.N., Hodge N.
A survey of data and information on molten sodium
hydroxide.

AERE C/R 2439 (1957)

(6) Ducan A.G., West C.D.

Prevention of incrustation on crystallizer heat
exchanger by ultrasonic vibration.

AERE-R 6482 (1970)

(7. Newman H.H., Bennett R.C.
Circulating magma crystallizers.
Chem. Engin. Progress, 55, 3, 65 1959

(8) Chandler J.L.

Effects of supersaturation and flow conditions on the
initiation of scale formation.

Trans. Inst. Chem. Engrs. 42, 524, 1964

(9) Douglas T.B., Dever J.L.
Anhydrous sodium hydroxide, the heat content.
J. Rs.Nat.Bur. Standard 53, 2 1954
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Seite 21

(10) Key, J.

Thermische und kalorische Zustandgrtssen des Systems
Wasser-Natriumhydroxid.

Techn. Univ. Braunschwelg, 1970

(11) Kriiger H.J.

Untersuchungen liber das Korrosionschemische Verhalten
einiger Metalle in Natriumhydroxydschmelze.

Techn. Hochschule Clausthal, 1966

(12) Kyle M.L. et al.
Lithium-Sulphur batteries for of-peak energy storage.
Argonne ANL-7958 (zitiert nach 13)

(13) Hassenzahl W.V., Baker B.L., Keller W.E.

The economics of superconducting magnetig energy storage
system for load leyeling.

Los Alamos, LA-5377-MS (1973)

Ich bedanke mich bei Herrn Dr. W. Seifritz, da er mich

auf diese letzte Publikation aufmerksam gemacht hat.