Modelling and experimental validation of the viscosity of molten salts in heat transport and storage applications

Ewaznezhad Fard, Darya; Müller, Michael; Spatschek, Robert

doi:10.18154/RWTH-2026-06357

Modelling and experimental validation of the viscosity of molten salts in heat transport and storage applications

Ewaznezhad Fard, Darya^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Darya Ewaznezhad Fard, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Spatschek, Robert (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06357
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038201/files/1038201.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMWK 01GW0623 - Verbundvorhaben: PCM-Screening-2 - Evaluierung von Salzsystemen für den Einsatz als PCM: thermodynamische Modellierung und experimentelle Methoden - 2; Teilvorhaben: Thermochemie wasserfreier Salzsysteme für PCM (01GW0623) (01GW0623)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
factsage (frei) ; heat transfer and storage (frei) ; molten salts (frei) ; viscosity (frei) ; viscosity measurement (frei) ; viscosity modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Solarkraftwerke (engl. Concentrating Solar Power Plants, kurz CSPs) spielen eine wichtige Rolle bei der Bewältigung aktueller und zukünftiger Herausforderungen in der Stromerzeugung. Um Solarenergie als zuverlässige primäre Energiequelle zu etablieren, ist die Kombination von CSPs mit thermischer Energiespeicherung (engl. Thermal Energy Storage, kurz TES) von wesentlicher Bedeutung. Geschmolzene Salze haben aufgrund ihrer niedrigen Viskosität, und damit verbundenen niedrigen Pumpkosten, Aufmerksamkeit als vielversprechende Wärmeträgerflüssigkeiten (engl. Heat Transfer Fluids, kurz HTFs) in der Forschung erlangt. Alkalichloride und -nitrate können aufgrund ihres unterschiedlichen Schmelzpunkts als potenzielle HTFs für Anwendungen im mittleren bis hohen Temperaturbereich verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenbank, welche verschiedene Viskositätseigenschaften potenzieller HTFs umfasst. Da bislang für geschmolzene Salze nur eingeschränkt Viskositätsdaten vorliegen, wird in dieser Arbeit ein Viskositätsmodell, das ursprünglich für Systeme auf Oxidbasis entwickelt wurde, angepasst. Das Modell der assoziierten Spezies, ein strukturbasiertes Modell, basiert auf einer thermodynamischen Datenbank in FactSage und berechnet die Verteilung der assoziierten Spezies, um die Gibbs-Energie zu bestimmen. Es berücksichtigt sowohl die Temperatur als auch die Strukturabhängigkeit der Viskosität. Der Hauptvorteil dieses Modells ist seine Einfachheit, die durch eine minimale Anzahl von Modellparametern gekennzeichnet ist. Das Modell der assoziierten Spezies wurde angewandt und die Viskosität von reinem NaCl, KCl, CaCl2, NaNO3, KNO3 und ihren binären Mischungen einschließlich NaCl-KCl, NaCl-CaCl2, NaNO3-KNO3, NaNO3-Ca(NO3)2, NaCl-NaNO3, KCl-KNO3 und der reziproken Systeme NaCl-KNO3 und KCl-NaNO3 berechnet. Das Modell erlaubt eine zuverlässige Vorhersage der Viskosität für alle reinen Salze über einen weiten Temperaturbereich. Darüber hinaus beschreibt eine eingeführte Exzessgröße die Viskositätsabhängigkeit der Zusammensetzung im binären NaNO3-KNO3 System. Die Modellparameter weisen einen physikalisch-chemischen Bezug auf. Zusätzlich zur Modellierung der Viskosität im vollständig geschmolzenen Zustand wird die Viskosität der binären Verbindungen mit dem Krieger-Dougherty (KD)-Modell in ihrem Zweiphasenbereich modelliert. Es wurde ein Versuchsaufbau mit einem Rotationsviskosimeter entwickelt, um die Modellierungsergebnisse zu validieren.

Concentrating solar power (CSPs) plants play a significant role in addressing current and future challenges in electricity generation by harnessing the abundant solar radiation and its storage during daylight to use on demand. To establish renewable energy resources as reliable primary sources of energy, the integration of CSPs with thermal energy storage (TES) is essential and makes the CSPs dispatchable and unique among all the other renewable alternatives. Molten salts have recently gained more attention of research interests as promising heat transfer fluids (HTF) due to their distinct properties including low viscosity, as viscosity of HTFs affects the pumping costs in the CSP design. Consequently, alkali chlorides and nitrates can be recommended as potential HTFs for medium to high temperature range applications due to their different melting point. Thus, the objective is to develop a database on viscosity property of potential HTFs. The challenges associated with high-temperature viscosity measurements and the presence of hazardous species highlights the need to have a reliable viscosity model. Moreover, development of an accurate viscosity model becomes necessary due to the lack of reported viscosity data in literature. To this end, this study aims at adapting a new viscosity model on molten salts, which was originally developed for oxide-based systems. The associate species model, which is a structure-based model, works based on an in-house thermodynamic database in FactSage and calculates the associate species distribution to describe the Gibbs energy and considers both the temperature and structural dependence of viscosity. The key advantage of this model is its simplicity, characterized by minimum number of model parameters. The associate species model has been applied and the viscosity of pure NaCl, KCl, CaCl2, NaNO3, KNO3, and their binary mixtures including NaCl-KCl, NaCl-CaCl2, NaNO3-KNO3, NaNO3-Ca(NO3)2, NaCl-NaNO3, KCl-KNO3, and the reciprocals NaCl-KNO3, and KCl-NaNO3 are assessed. The model demonstrates a reliable prediction for all the pure salts across a wide temperature range. Furthermore, the introduction of the excess part of viscosity effectively describes the composition dependence in binary NaNO3-KNO3. It is noteworthy to mention, that the model parameters indicate a reasonable physic-chemical meaning. In addition to the viscosity modelling at fully molten state, viscosity in the two-phase region is of interest and is modelled using the Krieger-Dougherty (KD) model. To validate the modelling results, an experimental setup employing a rotational viscometer has been developed.

OpenAccess:
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