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 Feuerfeststeinen 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 nutzten elektrische Widerstandsheizung, um die Feuerfeststeine zu erhitzen . Die Wärme wird gespeichert, bis sie für industrielle Prozesse benötigt wird. Die beobachteten Ergebnisse werden mit Simulationen ohne Feuerfeststeine verglichen.
Der Übergang zu sauberen Energiequellen muss allen vier Zwecken dienen. Die Elektrifizierung muss in allen Energiesektoren erfolgen, einschließlich Wohngebäuden, Gewerbe, Industrie und anderen. Solar- und Geothermie werden zur Beheizung von Gebäuden und Industrieanlagen genutzt, weshalb diese nicht elektrifiziert werden. Um das derzeitige System zu ersetzen, müssen Wind-, Wasser- und Solarenergie (WWS) mit Stromgeneratoren 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 der teuren BS- und GHS-Systeme zur Speicherung von Strom für kontinuierliche industrielle Prozesswärme im niedrigen bis hohen Temperaturbereich wird die Nutzung von variablem WWS-Strom bevorzugt. Dieser kann je nach Verfügbarkeit zur Wärmespeicherung in Feuerfeststeinen verwendet werden.
Die gespeicherte elektrische Energie kann in Wärme umgewandelt werden, indem man Schamottsteine an elektrische Widerstandsheizungen aus Metall anschließt oder die Schamottsteine direkt mit Widerstand beheizt. Schamottstein-Wärmespeicher sind von einer weiteren, besser isolierenden Schamottsteinart und anschließend von einer Stahlschicht umgeben, um weitere Wärmeverluste zu minimieren. Alternativ können die Steine auch von einem dickwandigen Stahlbehälter umschlossen werden.
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 zugeführte Wärme wird bei Bedarf aus den Feuerfeststeinen auf eine der folgenden Arten gewonnen.
- 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
Für die Wärmedämmung müssen Feuerfeststeine hohen Temperaturen standhalten, aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Da Siliziumdioxid eine geringe Wärmeleitfähigkeit (0.3 W/mK) besitzt, wird es üblicherweise für Isolierfeuerfeststeine 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
Seit langer Zeit nutzen die Menschen Schamottsteine zur Wärmespeicherung in Wärmeregeneratoren zur Herstellung von Glas 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.
Kurzinfo : China speicherte vor 2018 10 MW Wärme in Feuerfeststeinen für Gewerbekomplexe und Fernwärmeprojekte.
Kürzlich wurde berichtet, dass die höchsten Gebäude mithilfe der Schwerkraft in grüne Energiespeicher verwandelt werden könnten.
Mögliche Schamottsteinoptionen
Ein weiteres Material, das den Feuerfestziegeln ähnelt, sind feuerfeste Werkstoffe , die in der Vergangenheit 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 Steine enthalten hohe Anteile an Aluminiumoxid und Siliziumdioxid. Sie enthalten außerdem Spuren von Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) und Eisenoxid (Fe₂O₃). Im Chile des 19. Jahrhunderts wurden sie zur Auskleidung von Kupferschmelzen verwendet. Heutzutage werden diese kostengünstigen Steine jedoch auch mit Chromoxid und/oder Mullit (einem Aluminiumsilikatmineral) hergestellt. Feuerfeste Steinmischungen können außerdem Zirkonoxid (ZrO₂), Siliciumcarbid (SiC) und Zirkon (ZrSiO₄) enthalten.
1. Graphit (reiner, minderwertiger fester Kohlenstoff)
Es stellt eine weitere mögliche Option dar und kann auf bis zu 2,400 °C erhitzt werden . Diese Technologie steht jedoch vor verschiedenen Herausforderungen, die ihre Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen. Die größte Herausforderung ist die langsame Verdampfung von Graphit. Da Strahlungsheizung genutzt wird, ist die Wärmeübertragungskapazität begrenzt, und für viele Anwendungen ist eine zusätzliche Wärmezufuhr erforderlich.
Die Temperatur von Feuerfeststeinen entspricht nicht der Temperatur des erhitzten Materials. Die Temperatur von Materialien hängt nämlich von der spezifischen Masse und Wärmemenge anderer Feuerfeststeine und Materialien sowie vom Wärmeverlust zwischen beiden ab.
Beispiel : Angenommen, Graphit-Feuerfeststeine führen einem Material eine Wärme von 1500 °C zu. Hier muss der Graphit auf 1800–2000 °C erhitzt werden, um sowohl die Materialeigenschaften als auch den Wärmeverlust zu optimieren.
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 wurde im Fall der Feuerfestziegel eine ähnliche Netzstabilität wie im Basisfall beobachtet. Einige der wichtigsten Unterschiede zwischen beiden Methoden (Basisfall und Feuerfestziegel) sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Feuerfestziegel reduzierten den Speicherkapazitätsbedarf , und die beobachteten Abweichungen 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 – Zusatzmaterial: Auswirkungen von Schamottsteinen auf industrielle Prozesswärme
Insgesamt erhöhten sich die maximalen Entladeraten und Speicherkapazitäten durch den Einsatz von Schamottsteinen . Bei elektrischen Speichern und Niedertemperatur-Wärmespeichern war der Effekt jedoch gegenteilig. Vereinfacht gesagt: Der Einsatz von Schamottsteinen erhöhte zwar die maximale Entladerate aller Speichertypen, verringerte aber gleichzeitig deren maximale Kapazität.
Laut einer Studie beträgt der CO₂-Fußabdruck eines japanischen Hauses 38 Tonnen – interessant! Ich frage mich, wie hoch der CO₂-Fußabdruck meines Hauses ist.
Kostensenkung mit Schamottesteinen
In allen 149 untersuchten Ländern benötigte die Variante mit feuerfesten Ziegeln 14.5 % weniger Batteriespeicherkapazität (32.2 TWh statt 37.7 TWh) als die Basisvariante. Die deutliche Kostenreduzierung bei der Speicherung mit feuerfesten Ziegeln im Vergleich zur Batteriespeicherung ist der Hauptgrund für die geringeren Energiekosten in dieser Variante.
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.
Andererseits erhöht sich die Speicherkapazität von Schamottsteinen von 0 TWh auf 32.1 TWh . Obwohl die Speicherkapazität der Schamottsteine 5.8-mal höher ist als die reduzierte Speicherkapazität von Batterien, betragen ihre Kosten pro kWh nur ein Zehntel der Kosten von Batteriespeichern. Dies zeigt deutlich, dass der Ersatz von Batterien durch Schamottsteine die Kosten senkt.
Jährliche durchschnittliche Endverbrauchsnachfrage BAU und WWS 2050
Laut der geschätzten Energienachfrage im Jahr 2050 verringern Feuerfeststeine tendenziell die jährlichen Energiekostenunterschiede im Vergleich zu den Basisszenarien. Geringere Investitionskosten in Kombination mit Feuerfeststeinen tragen zu einer Reduzierung der Amortisationszeit um 3.2 % bei, was einer Verkürzung von 5.9 auf 5.7 Jahre entspricht. Dies verdeutlicht die größeren Unterschiede in der Amortisationszeit der Energiekosten in 149 Ländern . Diese Ergebnisse gelten für den Fall einer vollständigen Umstellung auf wassersparende Systeme.
Darüber hinaus verkürzt sich in Südostasien und Neuseeland die Amortisationszeit um mehr als ein Jahr . Der Einsatz von Schamottsteinen reduziert zudem den Flächenbedarf für Stromgeneratoren. Die festgestellte Reduzierung betrug 2,700 km² (0.43 %) in 149 Ländern.
Der einzige Nachteil von Schamottsteinen in industriellen Wärmeprozessen
Bei so vielen Vorteilen ist der einzige Nachteil die geringe Anzahl neu geschaffener Arbeitsplätze. Schätzungsweise wurden etwa 0.51 % (118,000) weniger Arbeitsplätze geschaffen, da die Kapazitäten für Strom- und Niedertemperatur-Wärmespeicher sowie die benötigten Nennleistungen der Generatoren in Feuerfestbauweise im Vergleich zu den Basisszenarien reduziert wurden.
Wie man Solarenergie ohne Batterien und Schamottsteine speichert – finden wir es heraus!
Case Studies: Schamottesteine für industrielle Prozesswärme
Ein 2019 veröffentlichter Bericht von Daniel C. Stack et al. beschreibt die Leistungsfähigkeit von feuerfesten, widerstandsbeheizten Energiespeichern. Das Team führte Computersimulationen mit feuerfesten Ziegeln durch und speicherte elektrische Energie bei hohen Temperaturen 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
Zum Erhitzen von Schamottsteinen schlugen Forscher die direkte Widerstandsheizung (DRH ) vor. Elektrisch leitfähige Schamottsteine werden mit elektrischem Strom erhitzt und erreichen Temperaturen von bis zu 1800 °C. Diese Schamottsteine 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.
Case Studies
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 % der globalen CO₂-Emissionen im Jahr 2022 stammten aus der industriellen Wärmeverbrennung. Weitere 8.38 % entstanden durch chemische Reaktionen bei 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 Feuerfeststeinen auf industrielle Prozesswärme
Quelle: Ergänzende Informationen
