Es ist wichtig, Wege zu finden, die Wärmeproduktion emissionsfrei zu gestalten. Wind- und Solartechnologien sind zwar nützlich, ihre Leistung schwankt jedoch je nach Verfügbarkeit und erfordert externe Speichersysteme. Forscher haben jedoch kürzlich eine nachhaltige Alternative entdeckt: Schamottesteine. In 149 Ländern konnten Forscher die positiven Auswirkungen von Schamottesteinen auf die industrielle Prozesswärme feststellen.
Ja, sie haben das Hauptproblem der Energiespeicherung gelöst und die Kosten betragen weniger als ein Zehntel der Batteriekosten. Computersimulationen in 1 Ländern haben gezeigt, dass Schamottesteine ein hervorragendes Mittel zur Senkung der Umstellungskosten für erneuerbare Energien sind.
Auswirkungen von Schamottsteinen auf industrielle Prozesswärme in 149 Ländern
Ziel der Studie: Analyse der Auswirkungen der Verwendung von Schamottsteinen zur Speicherung industrieller Prozesswärme auf die Energiekosten und die Stabilität der Stromnetze in 149 Ländern.
Um die Ziele bis 2050 zu erreichen, streben die Länder eine Wärme- und Stromerzeugung aus 100 % WWS-Quellen (Wind, Wasser, Sonne) an.
In der Studie angewandte Prozesse
Forscher haben elektrische Widerstandsheizung verwendet, um Strom zum Erhitzen der SchamottsteineDiese Wärme bleibt gespeichert, bis sie für industrielle Prozesse benötigt wird. Die beobachteten Ergebnisse werden mit Simulationen ohne Schamottesteine verglichen.
Der Übergang zu sauberen Energiequellen muss allen vier Zielen dienen. Die Elektrifizierung muss in allen Energiesektoren erfolgen, einschließlich Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und anderen Sektoren. Solar- und Geothermie werden zur Beheizung von Gebäuden und Industrien genutzt, weshalb diese nicht elektrifiziert werden. Um das derzeitige System zu ersetzen, Wind, Wasser, Solar (WWS) müssen mit elektrischen Generatoren kombiniert werden.
Wärme und Industrie: Temperatur erforderlich
In der Industrie werden für verschiedene Prozesse unterschiedliche Temperaturen und Wärmemengen benötigt.
- Gewöhnliche Zement- und Kalkproduktion – 1,300–1,800 °C
- Quarzglas, Glas, traditionelle Eisen- und Stahlproduktion – 1,000–1,500 °C
- Produktion anorganischer Mineralien – 150–500 °C
- Herstellung von Alkohol und Grundchemikalien – 100–300 °C
- Papier-, Karton- und Zellstofffabriken – <100 °C
Allerdings wird Netzstrom von der IEA nicht in industrielle Prozesse einbezogen, bei Dampfturbinen ist jedoch eine Temperatur von über 200 °C erforderlich, und bei thermophotovoltaischen Zellen sind in diesem Sektor etwa 1,000–2,000 °C erforderlich.
Im Allgemeinen werden große Mengen Wärme durch die kontinuierliche Verbrennung von Kohle, fossilen Brennstoffen, Öl oder Biomasse erzeugt. Dazu gehören auch der Betrieb von elektrischen Widerstandsöfen und Kesseln mit Lichtbogen-, Elektronenstrahl- und elektrischer Induktionstechnik, aber auch dielektrische Heizgeräte und elektrische Wärmepumpen.
Anstelle von teuren BS- und GHS-Speichern für die kontinuierliche Nieder- bis Hochtemperatur-Industrieprozesswärme wird die Nutzung von variablem WWS-Strom bevorzugt. Dieser kann je nach Verfügbarkeit genutzt werden, um Wärme in Schamottsteinen speichern.
Die gespeicherte Elektrizität kann durch den Anschluss von Schamottesteinen an metallische elektrische Widerstandsheizungen oder durch direkte Widerstandsheizung (DRH) von Schamottesteinen in Wärme umgewandelt werden. Schamott-Wärmespeicher sind von einer anderen Art von Schamottesteinen umgeben, die besser isolieren, und darüber hinaus von einer Stahlschicht, um weiteren Wärmeverlust zu reduzieren. Oder es gibt einen dicken Stahlbehälter, der die Steine umgibt.
Eigenschaften von wärmespeichernden Schamottsteinen
- Durch die Anordnung in einem Muster, das einen Luftstrom durch die Kanäle ermöglicht, können Schamottesteine effektiv genutzt werden.
- Schamottesteine sind kostengünstig, da kein Wärmetauscher erforderlich ist und sie aus kostengünstigen Wärmespeichermaterialien hergestellt werden können.
- Sie verfügen über eine spezifische Wärmekapazität und Dichte und können daher bei nur geringer Temperaturerhöhung viel Energie aufnehmen.
- Sie haben hohe Schmelzpunkte.
Die verarbeitete Wärme wird bei Bedarf aus den Schamottsteinen entnommen in eine der folgenden Methoden.
- Dies geschieht, indem Umgebungsluft oder recycelte Luft mit niedriger bis hoher Temperatur durch Kanäle in den Ziegeln geleitet wird. Durch direkte Infrarotstrahlung von glühenden Ziegeln.
- Ähnlich wie feuerfeste Steine verfügen auch diese über gute Isoliereigenschaften und einen hohen Schmelzpunkt. Ein hoher Schmelzpunkt ermöglicht es ihnen, hohen Temperaturen standzuhalten und einen schnellen Wärmeverlust zu verhindern.
Anforderungen an die ideale Wärmespeicherung von Schamottsteinen
Wenn sie zur Isolierung verwendet werden, müssen Schamottesteine hohen Temperaturen standhalten, jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Da Kieselsäure hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit (0.3 W/mK), Es wird im Allgemeinen zum Isolieren von Schamottsteinen verwendet.
Aluminiumsilikat wird auch in gängigen Arten von isolierenden Schamottsteinen (meistens Tonerde und Sand) verwendet. Es ist auch in Kalziumsilikatsteinen (vorzugsweise Sand und Kalkstein) enthalten.
Anwendungen von Schamottsteinen
Schon seit langer Zeit nutzen Menschen Schamottesteine zur Wärmespeicherung in Wärmeregeneratoren zur Glasherstellung und Stahl.
Was sind Regeneratoren?
Dabei handelt es sich um Wärmetauscher, die die Wärme aus einem heißen Rauchgas gewinnen, diese dann 20–30 Minuten lang speichern und diese Wärme anschließend nutzen, um die Luft für die Verbrennung vorzuwärmen.
Schnelle Tatsache – China war Speicherung von 10 MW Wärme in Schamottsteinen für Gewerbekomplexe und Fernwärmeprojekte vor 2018.
Kürzlich wurde berichtet, dass Höchste Gebäude könnten sich durch die Schwerkraft in grüne Energiespeicher verwandeln.
Mögliche Schamottsteinoptionen
Ein weiteres Material, das den Schamottesteinen ähnelt, ist feuerfeste Materialien die historisch für verschiedene Zwecke verwendet wurden.
- In der frühen Bronzezeit (4,000–3,000 v. Chr.) zur Auskleidung primitiver Brennöfen.
- Während der Eisenzeit (1,500–500 v. Chr.) wurden hier Öfen zur Eisenherstellung gebaut.
- Seit Anfang des 1600. Jahrhunderts in Tiegeln für geschmolzenes Glas.
- Seit Mitte der 1850er Jahre in Stahlöfen.
Feuerfeste Ziegelsteine enthalten hohe Prozentsätze aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid. Es enthält außerdem Spuren von Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) und Eisenoxid (Fe2O3). Um 1800 wurden diese in Chile zur Auskleidung von Kupferhütten verwendet. Heute werden diese kostengünstigen Optionen jedoch auch mit Chromoxid und/oder Mullit (Aluminiumsilikatmineral) hergestellt. Schamottesteinmischungen können aber auch Zirkonoxid (ZrO2), Siliziumkarbid (SiC) und Zirkon (ZrSiO4) enthalten.
1. Graphit (reiner, minderwertiger fester Kohlenstoff)
Es ist eine weitere mögliche Option und kann bis 2,400° C erhitzt werden. Allerdings ist diese Technologie mit verschiedenen Herausforderungen verbunden, um ihre Kosteneffizienz zu gewährleisten. Die größte Herausforderung besteht in der langsamen Verdampfung des Graphits. Außerdem ist die Wärmeübertragungsfähigkeit durch Strahlungswärme begrenzt, da für viele Anwendungen möglicherweise zusätzliche Wärmeübertragung erforderlich ist.
Die Temperatur der Schamottesteine ist nicht die gleiche wie die Temperatur des erhitzten Materials. Die Temperatur von Materialien hängt von spezifischen Massen und Wärme ab anderer Schamottesteine und Materialien sowie der Wärmeverlust zwischen beiden.
Zum Beispiel: Angenommen, Graphitfeuersteine geben ein Material mit 1500 °C Wärme ab. Hier muss der Graphit sowohl für die Eigenschaften als auch für den Wärmeverlust des Materials auf 1800–2000 °C erhitzt werden.
Methoden zur Untersuchung von Schamottesteinen für industrielle Prozesswärmestudien
Die Untersuchung der Auswirkungen von Schamottesteinen auf die industrielle Prozesswärme in 149 Ländern umfasst die drei unten aufgeführten Modelltypen.
Methode Nr. 1 Tabellenkalkulationsmodell
Es wird verwendet, um den Energiebedarf für Wind-, Wasser- und Solarenergie (WWS) im Jahr 2050 basierend auf dem aktuellen BAU-Bedarf abzuschätzen. Es wird auch verwendet, um die Nennkapazitäten zu berechnen, die für WWS-Generatoren erforderlich sind, um den WWS-Bedarf im Jahr 2050 zu decken.
Methode Nr. 2: Globale Wetter-Klima-Luftverschmutzung
Die Ergebnisse des Tabellenkalkulationsmodells fließen in GATOR-GCMOM ein, ein globales Wetter-, Klima- und Luftverschmutzungsmodell. Dieses Modell prognostiziert die Versorgung mit Solar- und Windstrom sowie mit Solarwärme und Wellenstrom. Außerdem prognostiziert es alle 30 Sekunden den weltweiten Kühl- und Heizbedarf von Gebäuden für mehrere Jahre.
Diese Vorhersagen für Sonnen-, Luft- und Windtemperaturen werden zusammen mit der Nennleistung des Generators im Tabellenkalkulationsmodell eingegeben.
Methode Nr. 3 LOADMATCH
Die Ergebnisse von GATOR-GCMOM werden in LOADMATCH eingespeist. Dieses gleicht über mehrere Jahre hinweg alle 30 Sekunden Nachfrage mit Angebot, Speicherkapazität und Nachfragereaktion ab. LOADMATCH-Simulationen werden drei Jahre lang, von 3 bis 2050, in 2052-Sekunden-Schritten durchgeführt.
Vergleich von Simulationen : Es werden zwei Simulationssätze verglichen: einer mit Schamottsteinen (Schamottsteinfall) und der andere ohne Schamottsteine (Basisfall). LOADMATCH-Simulationen werden in 2 Regionen in 29 Ländern durchgeführt.
Beobachtungen
In allen 29 Regionen Gitterstabilität wurde im Fall von Schamottesteinen beobachtet, ähnlich wie im Basisfall. Einige der wichtigsten Unterschiede zwischen beiden Methoden (Basis und Schamott) sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Schamottesteine verringern den Bedarf an Lagerkapazität, und die beobachteten Variationen sind wie folgt:
| Parameter | Prozentuale Differenz = 100 % × (a − b)/b |
| Akkuspeicherkapazität | 14.5% |
| Größe der grünen Wasserstoff-Speicherbrennstoffzelle | 3.9% |
| Größe des Wasserstofftanks | 18.3% |
| Wasserstoffproduktion für Netzstrom erforderlich | 31.4% |
| Maximale Entladungsrate für unterirdische Wärmeenergie | 1% |
| Unterirdische Speicherkapazität für thermische Energie | 27.3% |
| Nennleistung der Onshore-Windenergie | 1.2% |
| Nennkapazität der Offshore-Windenergie | 0.54% |
| Nennleistung der PV-Anlage | 0.54% |
| CSP-Typenschildkapazität | 0.84% |
Querverweis – Ergänzendes Material: Auswirkungen von Schamottsteinen auf industrielle Prozesswärme
Insgesamt maximale Entladeraten und Speicherkapazitäten durch Zugabe von Schamottesteinen erhöhtBei der elektrischen Speicherung und der Niedertemperatur-Wärmespeicherung war der Effekt jedoch umgekehrt. Einfach ausgedrückt erhöhte das Hinzufügen von Schamottesteinen die maximale Entladerate für alle Speichertypen, verringerte jedoch die maximale Kapazität derselben.
Der CO38-Fußabdruck eines Hauses in Japan beträgt XNUMX Tonnen, wie eine Studie zeigt. Das ist interessant. Ich frage mich, wie groß der CO2-Fußabdruck meines Hauses ist!
Kostensenkung mit Schamottesteinen
In allen 149 untersuchten Ländern 14.5 % weniger Schamottsteingehäuse erforderlich (32.2 TWh statt 37.7 TWh) Batteriespeicherkapazität als im Basisszenario. Die deutliche Kostenreduzierung bei Schamottespeichern im Vergleich zu Batteriespeichern ist der Hauptgrund für die geringeren Energiekosten im Schamotteszenario.
Die folgende Abbildung zeigt die Vorteile einer Kapazitätsreduzierung bei Strom- und Niedertemperatur-Wärmespeichern sowie Generatoren mit Schamottesteinen. Sie reduziert zudem die Kapitalkosten für die Umstellung von 149 Ländern auf den WWS von 58.24 bis 56.97 Billionen US-Dollar (2020) auf 1.27 Billionen US-Dollar (2.2 %).
In allen Regionen, mit Ausnahme von Kanada und Island, war jedoch ein Rückgang der Kapitalkosten zu beobachten. Dies liegt daran, dass diese Regionen bereits über eine reichliche und regelmäßige Versorgung mit Wasser- und Windkraftressourcen verfügen und kein Schamottverfahren benötigen (das jedoch während des Prozesses trotzdem installiert wurde).
Außerdem, es gab einen Rückgang in England, Nivellierte Energiekosten (LCOE) von 0.15 ¢/kWh (1.7 %) und die jährlichen Energiekosten um 119 Milliarden US-Dollar/Jahr (1.78 %) in 149 Ländern.
Niedrigere LCOE-Kosten waren durch die Reduzierung der netzbezogenen Kosten möglich: Netzwasserstoff, unterirdische Wärmeenergiespeicherung, Batterie- und Stromerzeugungskosten.
Auf der anderen Seite, Schamottspeicherkapazität steigt von 0 TWh auf 32.1 TWhObwohl die Speicherkapazität von Schamottesteinen 5.8-mal höher ist als die reduzierte Batteriespeicherkapazität, betragen ihre Kosten pro kWh nur ein Zehntel der Batteriespeicherkapazität. Dies zeigt deutlich, dass der Austausch von Batterien durch Schamottesteine die Kosten senkt.
Jährliche durchschnittliche Endverbrauchsnachfrage BAU und WWS 2050
Der geschätzte Energiebedarf im Jahr 2050 Schamottesteine neigen dazu, zu erhöhen die geringeren jährlichen Energiekostenunterschiede zwischen Schamottesteinen und Basismodellen. Niedrigere Kapitalkosten in Kombination mit Schamottesteinen tragen zu einer Verringerung um 3.2 % bei, was einer Verkürzung von 5.9 auf 5.7 Jahre entspricht zeigt höhere Unterschiede in 149 Ländern Amortisationszeit der Energiekosten. Dies ist der Fall, wenn eine 100%ige Umstellung auf WWS erfolgt.
Darüber hinaus gibt es in zwei Regionen Südostasien und Neuseeland verkürzt sich die Amortisationszeit um mehr als ein Jahr. Die Verwendung von Schamottesteinen reduziert auch den Flächenbedarf für Stromgeneratoren. Der Unterschied war ein Reduzierung um 2,700 km2 (0.43 %) in 149 Ländern.
Der einzige Nachteil von Schamottsteinen in industriellen Wärmeprozessen
Bei so vielen Vorteilen ist der einzige Nachteil, der hier erwähnt wird, die geringe Zahl der dadurch geschaffenen Arbeitsplätze. Schätzungsweise wurden ∼0.51 % (118,000) weniger Arbeitsplätze geschaffen da es zu Kürzungen der Strom- und Niedertemperatur-Wärmespeicherkapazitäten sowie der benötigten Generatorleistung in Schamottsteine vs. Basisgehäuse.
So speichern Sie Solarenergie ohne Batterien und Schamottsteine, finden wir es heraus!
Portfolio: Schamottesteine für industrielle Prozesswärme
A Bericht im Jahr 2019 veröffentlicht Die von Daniel C. Stack et al. untersuchte Leistungsfähigkeit von widerstandsbeheizten Schamottstein-Energiespeichern. Das Team führte Computersimulationen mit Schamottsteinen durch und gespeicherte Elektrizität bei Hochtemperaturwärme von etwa 1000–1700 °C.
Sie ordneten Schamottesteine in einem bestimmten und geschützten Muster an. Bei Wärmebedarf wurden die Steine in einen kalten Luftstrom gebracht und anschließend für industrielle Prozesse oder zur Stromerzeugung mit einer Dampfturbine genutzt. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sich die Schamottesteine innerhalb weniger Stunden laden und entladen lassen. Sie schlugen außerdem vor, dass Systeme mit einer Kapazität von mehreren hundert bis tausend Megawattstunden täglich genutzt werden könnten.
Zur Umwandlung von Elektrizität in Wärmeenergie wurden elektrische Widerstandsheizgeräte aus Metalllegierungen und Keramik verwendet. An die Heizgeräte wurden Ziegel (Magnesia, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid) angeschlossen.
Beobachtungen:
Heizgeräte aus Siliziumkarbid und Molybdändisilizid erreichten die höchsten Temperaturen. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung in die Mitte des Ziegelfeldes war für sie jedoch schwierig.
Für Temperaturen bis 1100 °C sind diese Heizgeräte geeignet. Sobald die Temperatur jedoch 1500 °C erreicht oder überschreitet, beginnt ihre Leistung zu sinken. Dies liegt hauptsächlich daran, dass ihre äußere Schutzschicht der Sauerstoffdiffusion nachgibt.
Vorschläge
Um Schamottesteine zu erhitzen, schlugen Forscher vor mittels direkter Widerstandsheizung (DRH). Elektrisch leitfähige Schamottesteine werden mit elektrischem Strom erhitzt und ihre Temperatur steigt auf bis zu 1800 °C. Diese Schamottesteine enthalten Chromoxid (ein leitfähiges Metalloxid), das mit Magnesium- oder Nickeloxid dotiert ist, wodurch sie hohe Temperaturen erreichen können.
Vorteile von DRH
- Da Schamottesteine selbst Heizelemente sind, erweist sich DRH als vorteilhaft, da zwischen dem Heizelement und den Schamottesteinen kein Temperaturabfall auftritt.
- Außerdem wird DRH nicht von Strom, Frequenz oder Spannung beeinflusst.
- Es ist keine teure Leistungselektronik erforderlich.
- Es ist für den direkten Anschluss an eine Photovoltaikanlage geeignet.
Forscher schätzten den Preis eines 250-MWh-Aluminiumoxid-Schamottsteinsystems mit externer Heizung im Jahr 2018 auf etwa 10.75 US-Dollar pro kWh Wärmespeicher. Darin sind folgende Kennzahlen enthalten:
- Isolierung (1.6 %)
- Sicherheitsbehälter (7.2 %)
- Schamottesteine (18.4 %)
- Transformator (52.2 %)
- Gebläse (11.9 %)
- Metallischer Heizdraht (8.7 %)
Der Preis für Schamottesteine lag zunächst bei etwa 2.12 US-Dollar pro Kilowattstunde. Magnesiumoxid wäre jedoch mit 1.87 US-Dollar pro Kilowattstunde rentabel gewesen, und Siliziumkarbid kostete rund 7.18 US-Dollar pro Kilowattstunde. Im Vergleich dazu lagen die Kosten für Batterien bei 250 bis 500 US-Dollar pro Kilowattstunde, was etwa zehnmal höher ist als die Kosten für Wärmespeicher pro Kilowattstunde.
Portfolio
2021
Laut Daten aus dem Jahr 2021 deckte Strom in den Endverbrauchssektoren von 20.6 Ländern lediglich 149 % der gesamten nachgefragten Energie. Die restlichen Beiträge kamen von Gezeiten- oder Wellenenergie (0.0043 %), Geothermie (0.33 %), Solarenergie (3.63 %), Windenergie (6.54 %) und Wasserkraft (15.5 %).
In den Jahren 2021–2022 erzeugten rund 47 Länder mehr als 50 % des benötigten Stroms mit WWS und sieben Länder erzeugten 99.8–100 % des Stroms mit WWS.
Bisher dominierte Wasserkraft die Stromerzeugung durch Wasserkraftwerke, doch Solar- und Windkraft erobern den Markt. Sollte der Großteil des weltweiten Stroms durch Wasserkraftwerke erzeugt werden, würden rund 90 % davon durch Wasserkraftwerke erzeugt werden.
2022
Rund 17% von globale CO2-Emissionen im Jahr 2022 stammten aus der industriellen Verbrennung. 8.38 % stammten aus chemischen Reaktionen während der Herstellung von Stahl, Zement und anderen Produkten.
Fazit
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass Schamottesteine in 149 Ländern positive Auswirkungen auf die industrielle Prozesswärme haben und ein nützliches Werkzeug zur Speicherung industrieller Prozesswärme und zur Umstellung auf saubere Energie darstellen. Schamottesteine können hohe Temperaturen für industrielle Prozesse speichern und die Kosten für erneuerbare Energien senken. Es bestehen zwar einige Unsicherheiten hinsichtlich ihrer Leistung, beispielsweise hinsichtlich der täglichen Wärmeverlustrate. Aber selbst bei einer täglichen Wärmeverlustrate von 5 % sind Schamottesteine immer noch eine kostengünstige Option.
Obwohl Schamottesteine keine industriellen Emissionen verursachen, können ihre Emissionen aus der Wärmeerzeugung erheblich reduziert werden. Daher sind politische Maßnahmen und Anreize erforderlich, um den Klimawandel, die Energiesicherheit und die Luftverschmutzung zu bekämpfen und nachhaltige Lösungsansätze zu fördern.
Quelle: Auswirkungen von Schamottsteinen auf industrielle Prozesswärme
Quelle: Ergänzungsinformationen
