Дешевые "огненные кирпичи" для хранения тепла сэкономят триллионы долларов

Согласно новому исследованию Стэнфорда, переход на 100% возобновляемую энергию во всем мире будет дешевле и проще с использованием огнеупорного кирпича, формы хранения тепловой энергии, уходящей корнями в бронзовый век, для производства большей части тепла, необходимого для промышленных процессов.

Сегодняшним отраслям требуются высокие температуры для обрабатывающих производств, которые достигаются во многом за счет непрерывного сжигания угля, нефти, ископаемого газа, биомассы. Поскольку большая часть мира сосредоточена на сокращении выбросов за счет перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам, таким как ветер, солнечная энергия и гидроэнергетика, вопрос заключается в том, как обеспечить отрасли непрерывным теплом по требованию в 100% возобновляемом мире.

В недавно опубликованном исследовании исследователи из факультета гражданской и экологической инженерии Стэнфордского университета предположили, что ответом может стать древнее решение — огнеупорные кирпичи.

“Сохраняя энергию в форме, наиболее близкой к ее конечному использованию, вы снижаете неэффективность преобразования энергии,” сказал Дэниел Самбор, постдокторант в области гражданской и экологической инженерии и соавтор исследования. “В нашем поле часто говорят, что ‘если вы хотите горячий душ, храните горячую воду, а если вы хотите холодный напиток, храните ice’; так, это исследование можно резюмировать как ‘если вам нужно тепло для промышленности, храните его в firebricks.’”

Поскольку энергия ветра и солнца колеблется, важно, чтобы источники, замещающие топливо для горения, были способны накапливать электроэнергию или тепло. Огнеупорный кирпич, который может выдерживать высокие температуры без повреждений, использовался в течение тысяч лет –, вероятно, с раннего бронзового века – для облицовки печей, печей, каминов и печей.

Подобно огнеупорному кирпичу, огнеупорный кирпич может хранить тепло или изолировать, в зависимости от того, из чего он сделан. Огнекирпичи, используемые для хранения тепла, должны иметь высокую удельную теплоемкость – количество тепла 1 г вещества должно поглощать или терять, чтобы изменить свою температуру на 1 °C (1,8 °F) – и высокую температуру плавления. Идеальные недорогие материалы из огнеупорного кирпича с такими свойствами включают оксид алюминия и магнезию или низкосортный графит. Изоляционные огнеупорные кирпичи должны выдерживать высокие температуры, но иметь низкую теплопроводность, чтобы противостоять тепловому потоку и медленно получать тепло из окружающей среды. Кремнезем имеет низкую теплопроводность, поэтому его регулярно используют в этих типах огнеупорного кирпича.

Огнеупорный кирпич, используемый для изоляции внутреннего стального корпуса вращающейся печи от высоких температур производстваWikimedia Commons/Alexknight12 CC BY-SA 3.0

Теплоаккумулирующие огнеупорные кирпичи окружены другим типом огнеупорного кирпича, более изолирующим, а затем сталью, например толстым стальным контейнером, для дальнейшего снижения теплопотерь. Технологическое тепло может быть получено из огнеупорного кирпича по требованию путем пропускания окружающего или рециркулируемого воздуха через каналы в кирпичах для производства воздуха с низкой и высокой температурой или полученного в результате излучения инфракрасного излучения непосредственно из раскаленного кирпича. Использование огнеупорного кирпича позволяет избежать необходимости хранения аккумуляторов или хранения возобновляемой электроэнергии из зеленого водорода, поскольку хранение электроэнергии заменяется хранением из огнеупорного кирпича.

Целью настоящего исследования было изучение влияния использования огнеупорного кирпича на хранение большей части промышленного технологического тепла в 149 странах, которые в гипотетическом будущем в 2050 году перешли на 100% чистую и возобновляемую энергию. На 149 выбранных стран приходится 99,75% выбросов углекислого газа (CO2) ископаемого топлива во всем мире. Исследователи использовали компьютерные модели для сравнения затрат, потребностей в земле, воздействия на здоровье и выбросов для двух сценариев: один, в котором огнеупорный кирпич обеспечивает 90% промышленного технологического тепла, и другой, в котором огнеупорный кирпич не использовался.

“Ours — это первое исследование, в котором рассматривается масштабный переход возобновляемой энергетики с использованием огнеупорного кирпича как часть решения, — сказал Марк Джейкобсон, профессор гражданского и экологического строительства в Стэнфордской школе устойчивого развития Дорра, а также руководитель исследования и автор-корреспондент. “Мы обнаружили, что огнеупорные кирпичи обеспечивают более быстрый и дешевый переход на возобновляемые источники энергии, и это помогает всем с точки зрения здоровья, климата, рабочих мест и энергетической безопасности.”

В 149 странах по сравнению со сценарием, где огнеупорные кирпичи не использовались, было обнаружено, что использование огнеупорных кирпичей позволило сократить капитальные затраты в 2050 году на солидные 1,27 триллиона долларов США. Firebricks также снизил потребность в энергоемкости аккумуляторов примерно на 14,5%, годовое производство водорода для сетевой электроэнергии примерно на 27,3%, потребности в земле примерно на 0,4% и общие годовые затраты на энергию примерно на 1,8%. Для сценария ‘no firebricks’ предполагалось, что страны будут получать тепло для промышленных процессов от электропечей, обогревателей, котлов и тепловых насосов, при этом батареи будут использоваться для хранения электроэнергии для этих технологий.

“Разница между хранением из огнеупорного кирпича и аккумуляторной батареей заключается в том, что огнеупорный кирпич хранит тепло, а не электричество, и составляет одну десятую стоимости батарей,” Jacobson сказал. “Материалы тоже намного проще. В основном они являются лишь компонентами грязи.”

Использование огнеупорного кирпича в промышленности сделало бы переход на возобновляемые источники энергии дешевле и прощеDepositphotos

В результате исследования возникает важный вопрос: а как насчет газов и частиц промышленного сгорания и выбросов CO2 в результате химических реакций промышленных процессов – в первую очередь от производства стали и цемента –, на которые не обращаются огнеупорные кирпичи? Исследователи предполагают, что электродуговые печи, печи сопротивления и котлы, индукционные печи, электронно-лучевые нагреватели и диэлектрические нагреватели могут покрывать промышленное сжигание, не покрытое огнеупорным кирпичом. Выбросы CO2 при производстве стали можно решить, используя зеленый водород вместо кокса или угля, чтобы превратить железную руду в чистое железо. Они предполагают, что выбросы CO2 при производстве цемента можно устранить, используя базальт (кальцийсиликатную породу без углерода) вместо известняка во время обычного производства портландцемента (OPC) и используя геополимерный цемент вместо OPC. Объединение этих методов с огнеупорным кирпичом исследователи говорят, что можно “исключить большую часть, если не все, загрязнение воздуха и CO2 от промышленного производства без необходимости улавливания углерода.”

Высокотемпературный теплоаккумулирующий огнеупорный кирпич широко доступен в продаже. Исследователи говорят, что их использование для помощи в переходе на возобновляемые источники энергии сделает этот процесс недорогим и простым — две вещи, которые, как они надеются, привлекут людей для поддержки их нового решения.

“Представьте себе, если мы предложим дорогой и сложный метод перехода на возобновляемую электроэнергию – у нас будет очень мало желающих, ” сказал Джейкобсон. “Но, если это сэкономит деньги по сравнению с предыдущим методом, он будет реализован быстрее. Что меня волнует, так это то, что воздействие очень большое, тогда как многие технологии, на которые я смотрел, имеют незначительное воздействие. Здесь я вижу существенную выгоду при низких затратах с разных точек зрения: от помощи в снижении смертности от загрязнения воздуха до облегчения перехода мира к чистым возобновляемым источникам энергии.”

Исследование опубликовано в журнале ПНАС Нексус.

Источник: Stanford