Nitrat tuzlarının termal enerji depolama kapasitesini geliştirmek için uçucu kül tabanlı nanokompozitlerin tasarımı
Desing of fly ash based nanocomposites for improvement thermal energy storage capacity of the nitrate salts
Yazar: ELİF NİDA GÖKSU
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE DURAN DURMUŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı / Nanoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Son yıllarda, enerji sektöründeki sürdürülebilirlik ve enerji verimliliği talepleri hızla artmaktadır. Dünyanın enerjiye karşı giderek artan talebin karşılanabilmesi için yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmaktadır. Alternatif enerji kaynaklarından biri olan yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (YGE) santralleri çevreye yararlı ve elektrik üretiminde verimli bir kaynak olarak görülmektedir. YGE santrallerinde, performansı yüksek ve maliyeti düşük hem termal depolama (TED) akışkanı hem de ısı transfer akışkanı (ITA) olarak kullanılabilen akışkanların geliştirilmesi oldukça önemlidir. Günümüzde fizikokimyasal ve termodinamik özellikleri nedeniyle tuz eriyikleri ve çeşitli karışımları YGE santrallerinde ve birçok uygulamada kullanılmaktadır. Tuz eriyiklerinin yüksek kimyasal kararlılığa, düşük viskoziteye, düşük buhar basıncına, yüksek enerji yoğunluğuna ve düşük maliyete sahip olmalarının yanında çevre dostu malzemeler olması enerji sektöründe kullanılabilecek ideal bir akışkan olmasına sebep olmaktadır. Ancak eriyik nitrat tuzları tek başına kullanıldığında termal kararlılıkları düşüktür ve bu da depolama süresini kısıtlamaktadır. Ayrıca, eriyik tuz akışkanlarının yüksek erime noktaları (>200 °C) ve düşük bozunma sıcaklıkları (600 °C ve üzerindeki sıcaklıklarda) sebebiyle soğuk hava koşullarında ve karanlıkta donarak boruların tıkanmasına sebep olabilir. Bu nedenle, mikro/nano parçacık gibi termal iletkenliği yüksek bir malzeme ile karıştırarak nanokompozitler oluşturması, eriyik tuzların termodinamik özelliklerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır. Böylece, YGE santrallerinde düşük erime noktasına, yüksek depolama kapasitesine ve yüksek termal stabiliteye sahip maliyeti düşük ITA ve TED malzemesi elde edilmiş olacaktır. Bu tez çalışmasında yüksek termal iletkenliğe, düşük erime sıcaklığına ve yüksek bozunma sıcaklığına sahip ucuz eriyik tuz ve uçucu kül nanoyapılarının tasarlanması hedeflenmiştir. Ağırlıkça farklı uçucu kül yüzdesine sahip (%0.3, %0.5 %1, %2 ve %5) uçucu kül-potasyum nitrat (KNO3) karışımlarının yapısal ve termal özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Hazırlanan nanokompozitlerin, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile yapısal özellikleri; termal özellikler analizatörü (TPS),diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) yöntemleri ile de termal karakterizasyonu incelenmiştir. DSC analizinin sonuçları, erime sıcaklığında en büyük artışın %1 uçucu kül-KNO3 örneğinde %0.2 uçucu kül-KNO3 numunesinde gözlendiğini ortaya koymuştur (deneysel hata payının içinde). Isı kapasitesi değerleri incelendiğinde, en yüksek artışın %0.5 uçucu kül-KNO3 numunesinde %29.69 olarak tespit edilmiş ve ikili kristalizasyon prosedürünün ısı kapasitesi artışını olumlu yönde etkilediği sonucuna varılmıştır. TGA karakterizasyonu ise beklenenin aksine bozunma sıcaklıklarının uçucu kül yüzdesi artıkça azaldığını ve sıcaklık artışıyla birlikte ağırlık kaybı yüzdelerinin de göstermiştir. TPS ölçümleri, ısıl iletkenlik değerlerinin uçucu kül ilavesiyle doğrusal olarak arttığını ve ne büyük artışın %5 uçucu kül eklenmesiyle elde edildiğini ortaya koymuştur. Malzemelerin kristalografik yapısı XRD ile incelenmiş ve KNO3 tuzuna uçucu kül eklenmesinin, KNO3 kristalinin boyutlarını ve miktarlarını değiştirdiğini, ancak ferroelektrik özelliğini koruduğunu göstermiştir. SEM görüntüleri, uçucu külün KNO3 kristalleri üzerinde topaklanmadığını ve homojen bir şekilde dağıldığını göstermiştir.

Abstract:
In recent years, the demand for sustainability and energy efficiency in the energy sector has been rapidly increasing. Renewable and clean energy sources are needed to meet the world's growing energy demand. Concentrated solar power (CPS) plants are seen as an environmentally friendly and efficient source of electricity production among alternative energy sources. In CPS plants, the development of fluids with high performance and low cost that can be used as both thermal energy storage (TES) fluids and heat transfer agents (HTA) is crucial. Today, due to their physicochemical and thermodynamic properties, salt melts and various mixtures are used in CSP plants and many applications. The fact that salt melts are environmentally friendly materials with high chemical stability, low viscosity, low vapor pressure, high energy density, and low cost make them an ideal fluid to be used in the energy sector. However, when molten nitrate salts are used alone, their thermal stability is low, limiting the storage time. Also, due to the high melting points (>200 °C) and low decomposition temperatures (at temperatures above 600 °C) of molten salt fluids, they can freeze in cold weather conditions and darkness, causing pipes to clog. Therefore, forming nanocomposites by mixing with a material with high thermal conductivity, such as fly ash, contributes to improving the thermodynamic properties of molten salts. Thus, low-cost HTA and TES materials with low melting points, high storage capacity, and high thermal stability will be obtained in CSP plants. In this thesis study, the aim was to design cheap molten salt and fly ash nanostructures with high thermal conductivity, low melting temperature, and high decomposition temperature. The structural and thermal properties of fly ash-potassium nitrate (KNO3) mixtures with different weight percentages of fly ash (0.3%, 0.5%, 1%, 2%, and 5%) were experimentally investigated. The structural properties of the prepared nanofluids were examined with scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD); thermal characterization was investigated using thermal properties analyzer (TPS), differential scanning calorimetry (DSC), and thermogravimetric analysis (TGA) methods. The results of the DSC analysis revealed that the highest increase in melting temperature was observed at a rate of 0.2% in the sample containing 1% fly ash-KNO3 (within the experimental error range). Upon examination of the heat capacity values, the highest increase was detected at 29.69% in the sample containing 0.5% fly ash-KNO3, indicating a positive effect of the binary crystallization procedure on the increase in heat capacity. Contrary to expectations, TGA characterization demonstrated a decrease in decomposition temperatures as the percentage of fly ash increased, and it also indicated a decrease in weight loss percentages with an increase in temperature. Thermal conductivity measurements revealed a linear increase in thermal conductivity values with the addition of fly ash, with the greatest increase achieved at 5% addition of fly ash. The crystallographic structure of the materials was examined using XRD, demonstrating that the addition of fly ash to KNO3 altered the sizes and quantities of KNO3 crystals while preserving their ferroelectric property. SEM images showed that the fly ash did not agglomerate on the KNO3 crystals but dispersed uniformly.