On tärkeää ottaa huomioon se, että meidän on löydettävä keinoja lämmöntuotantoon ilman päästöjä. Tuuli- ja aurinkoteknologiat ovat hyödyllisiä, mutta niiden teho vaihtelee saatavuuden mukaan ja ne tarvitsevat ulkoisia tallennusjärjestelmiä. Äskettäin tutkijat löysivät kuitenkin kestävän vaihtoehdon samalle, tulenkestävälle tiilelle. Tutkijat havaitsivat palotiilien positiiviset vaikutukset teollisen prosessin lämmössä 149 maassa.
Kyllä, he ratkaisivat pääongelman energian varastoinnista hintaan, joka oli alle 1/10 akkujen hinnasta. Suoritettuaan tietokonesimulaatioita 149 maassa, palotiilet osoittautuivat merkittäväksi työkaluksi uusiutuvan energian siirtymäkustannusten alentamiseksi.
Tulipiilen vaikutukset teollisuusprosessien lämpöön 149 maassa
Tutkimuksen tarkoitus: Analysoida tulenkestävän tiilien käytön vaikutusta teollisen prosessilämmön varastointiin energian hintaan ja sähköverkkojen vakauteen 149 maassa.
Tavoitteiden saavuttamiseksi vuoteen 2050 mennessä maat pyrkivät tuottamaan lämpöä ja sähköä 100 % WWS (tuuli, vesi, aurinko) lähteistä.
Tutkimuksessa hyväksytyt prosessit
Tutkijat ovat käytti sähkövastuslämmitystä sähköksi tulenkestävän tiilien lämmittämiseen. Tämä lämpö säilyy, kunnes sitä tarvitaan teollisiin prosesseihin. Havaittuja tuloksia verrataan simulaatioihin ilman palotiiliä.
Puhtaisiin energialähteisiin siirtymisen on palveltava kaikkia neljää tarkoitusta. Sähköistys on tehtävä kaikilla energia-aloilla, mukaan lukien asuin-, liike-, teollisuus- ja muut osa-alueet. Aurinko- ja maalämpöenergiaa käytetään rakennusten ja teollisuuden lämmitykseen, minkä vuoksi niitä ei sähköistetä. Nykyisen järjestelmän tilalle tuuli, vesi, aurinko (WWS) on yhdistettävä sähkögeneraattoreihin.
Lämpö ja teollisuus: Lämpötila vaaditaan
Teollisuus vaatii vaihtelevia lämpötiloja ja lämpömääriä eri prosesseihin.
- Tavallinen sementin ja kalkin tuotanto – 1,300-1,800°C
- Sulatetun piidioksidin, lasin, perinteisen raudan ja teräksen tuotanto – 1,000–1,500°C
- Epäorgaanisten mineraalien tuotanto – 150-500°C
- Alkoholin ja peruskemikaalien valmistus – 100-300°C
- Paperi-, kartonki- ja sellutehtaat – <100°C
IEA ei kuitenkaan sisälly verkkosähköä teollisiin prosesseihin, mutta höyryturbiineilla se tarvitsee >200°C lämpötilan ja lämpösähkökennoilla tämä sektori noin 1,000–2,000°C.
Yleensä suuria määriä lämpöä tuotetaan jatkuvasti polttamalla hiiltä, fossiilisia polttoaineita, öljyä tai biomassaa. Se sisältää myös käynnissä olevat sähkövastusuunit ja kattilat, jotka ovat sähkökaari, elektronisuihku ja sähköinen induktio, mutta se käyttää myös dielektrisiä lämmittimiä ja sähköisiä lämpöpumppuja.
Korkean kustannustason BS:n ja GHS:n sijasta sähkön varastoimiseksi jatkuvaan matalasta korkeaan lämpötilaan teolliseen prosessilämpöön, on edullista käyttää muuttuvaa WWS-sähköä. Tätä voidaan käyttää aina kun se on saatavilla varastoi lämpöä tulenkestävään tiiliin.
Varastoitu sähkö voidaan muuntaa lämmöksi yhdistämällä tulenkestävät tiilet metallisiin sähkövastuslämmittimiin tai palotiilen suoravastuslämmityksellä (DRH). Palokivilämpövarastot niitä ympäröi toisentyyppinen tulenkestävä tiili, joka on paremmin eristävä, ja sitten teräskerros lisälämpöhäviön vähentämiseksi. Tai tiiliä ympäröi paksu terässäiliö.
Lämpöä varaavien palotiilien ominaisuudet
- Järjestämällä kuvioon, joka sallii ilmavirran kanavien läpi, tulenkestäviä tiiliä voidaan käyttää tehokkaasti.
- Tulipiilit ovat kustannustehokkaita, koska lämmönvaihdinta ei tarvita ja ne voidaan valmistaa edullisista lämmönvarastointimateriaaleista.
- Niillä on ominaislämpö ja tiheydet, joten ne voivat absorboida paljon energiaa pienellä lämpötilan nousulla.
- Niillä on korkeat sulamispisteet.
Prosessoitu lämpö otetaan talteen tiilistä tarvittaessa jompikumpi seuraavista tavoista.
- Se tehdään ohjaamalla ympäröivää tai kierrätettyä ilmaa matalasta korkeaan lämpötilaan tiilissä olevien kanavien kautta. Kuumien tiilten suoran infrapunasäteilyn kautta.
- Kuten tulenkestävät tiilet, niillä on myös hyvät eristysominaisuudet ja korkeat sulamispisteet. Korkean sulamispisteen ansiosta ne kestävät korkeita lämpötiloja ja estävät nopean lämpöhäviön.
Ihanteellisen palotiilien lämmönvarastoinnin vaatimukset
Jos tulenkestäviä tiiliä käytetään eristykseen, sen on kestettävä korkeita lämpötiloja, mutta niillä on alhainen lämmönjohtavuus. Koska piidioksidilla on alhainen lämmönjohtavuus (0.3 W/mK), sitä käytetään yleensä tulenkestävän tiilin eristämiseen.
Alumiinioksidisilikaattia käytetään myös yleisissä eristävissä tulenkestävissä tiilityypeissä (enimmäkseen alumiinioksidi ja hiekka). Se sisältyy myös kalsiumsilikaattitiileihin (mieluiten hiekkaan ja kalkkikiveen).
Firebricks sovellukset
Ihminen on pitkään käyttänyt tulenkestäviä tiiliä lämmön varastoimiseen lämmön regeneraattorit lasin valmistukseen ja terästä.
Mitä regeneraattorit ovat?
Nämä ovat lämmönvaihtimia, jotka vastaanottavat lämpöä korkean lämpötilan savukaasuista. Sitten he varastoivat lämpöä 20–30 minuuttia ja käyttävät tätä lämpöä esilämmittämään ilmaa palamista varten.
Nopea Fakta – Kiina oli varastoimaan 10 MW lämpöä tulenkestävään tiiliin kaupallisiin komplekseihin ja kaukolämpöhankkeisiin ennen 2018.
Äskettäin uutisoitiin siitä korkeimmat rakennukset voisivat muuttua vihreän energian varastoiksi painovoimalla.
Mahdolliset Firebrick-vaihtoehdot
Toinen tulenkestävää tiiliä vastaava materiaali on tulenkestävät materiaalit joita on historiallisesti käytetty eri tarkoituksiin.
- Varhaisella pronssikaudella (4,000-3,000 eKr.) linjata primitiivisiä uuneja.
- Rautakaudella (1,500-500 eKr.) valmistaa raudanvalmistusuuneja.
- 1600-luvun alusta asti upokkaissa sulaa lasia varten.
- 1850-luvun puolivälistä lähtien teräksenvalmistusuuneissa.
Tulenkestävät tiilet sisältää korkeita prosentteja alumiinioksidista ja piidioksidista. Siinä on myös jäämiä magnesiumoksidista (MgO), kalsiumoksidista (CaO) ja rautaoksidista (Fe2O3). Vuonna 1800 niitä käytettiin Chilessä kuparisulattojen vuoraukseen. Nykyään näitä edullisia vaihtoehtoja valmistetaan kuitenkin myös kromista ja/tai mulliitista (alumiinisilikaattimineraali). Mutta tulenkestävässä tiiliseoksissa voi olla myös zirkoniumoksidia (ZrO2), piikarbidia (SIC) ja zirkonia (ZrSiO4).
1. Grafiitti (puhdas matalalaatuinen kiinteä hiili)
Se on toinen mahdollinen vaihtoehto ja voidaan lämmittää 2,400 asteeseen. Tällä tekniikalla on kuitenkin useita haasteita pitää ne kustannustehokkaana. Suurin haaste on grafiitin hidas höyrystyminen, jolloin sen lämmönsiirtokyky on rajallinen, koska se käyttää säteilylämmitystä, koska se voi monissa sovelluksissa vaatia lisälämmönsiirtoa.
Tulipilien lämpötila ei ole sama kuin lämmitettävän materiaalin lämpötila. Kuten materiaalien lämpötila riippuu tietyistä massoista ja lämmöstä muista tulenkestävästä tiilestä ja materiaaleista sekä lämpöhäviö näiden kahden välillä.
Esimerkiksi: Oletetaan, että grafiittisuojatiilet syöttävät materiaalille 1500°C lämpöä. Tässä grafiitti on lämmitettävä 1800-2000°C:een sekä materiaalien omaisuuden että lämpöhäviön vuoksi.
Menetelmät, jotka liittyvät tulenkestävään tiileen teollisten prosessien lämpötutkimuksessa
Teollisuuden prosessilämmössä käytettävien tulenkestävän tiilien tutkimusvaikutuksia 149 maassa koskevat 3 mallityyppiä, kuten alla mainitaan.
Menetelmä #1 laskentataulukkomalli
Sitä käytetään arvioimaan vuoden 2050 Business as Usual (BAU) ja tuuli-, vesi- ja aurinkoenergian (WWS) kysyntä perustuen nykyiseen BAU:n kysyntään. Sitä käytetään myös laskettaessa WWS-generaattoreille tarvittavat nimikilven kapasiteetit täyttämään 2050 WWS-tarpeen.
Menetelmä #2 globaali sää-ilmasto-ilmasaaste
Laskentataulukkomallin tulokset syötetään GATOR-GCMOM:iin, joka on maailmanlaajuinen sää-ilmasto-ilmasaastemalli. Tämä malli ennustaa aurinko- ja tuulisähkön sekä aurinkolämpö- ja aaltosähkön tuotantoa. Se myös ennustaa rakennusten jäähdytys- ja lämmitystarpeita maailmanlaajuisesti 30 sekunnin välein useiden vuosien ajan.
Nämä ennusteet auringon, ilman ja tuulen lämpötiloista sekä generaattorin nimikilven kapasiteetin syöte laskentataulukkomallissa.
Menetelmä #3 LOADMATCH
GATOR-GCMOMin lähtö syötetään LOADMATCHiin. Tämä vastaa kysynnän tarjontaan, varastointiin ja kysyntään vastaamiseen 30 sekunnin välein useiden vuosien ajan. LOADMATCH-simulaatioita ajetaan 3 vuotta, 2050–2052 30 sekunnin aikaaskelilla.
Simulaatioiden vertailu : Verrataan kahta sarjaa simulaatioita: yksi palotiilillä (palotiilikotelo) ja toinen ilman tulenkestäviä tiiliä (perustapaus). LOADMATCH-simulaatioita suoritetaan 2 alueella, jotka kattavat 29 maata.
Havainnot
Kaikilla 29 alueella ristikon vakautta havaittiin tulenkestävässä tiilikotelossa, samanlainen kuin perustapauksessa. Jotkut tärkeimmistä eroista molempien menetelmien (perus ja tulenkestävä tiili) välillä on mainittu alla olevassa taulukossa. The tulenkestävät tiilet vähensivät tallennuskapasiteettivaatimuksia, ja havaitut vaihtelut ovat seuraavat:
| Parametri | Prosenttiero = 100 % × (a − b)/b |
| Akun säilytyskapasiteetti | 14.5% |
| Vihreä vetyvaraston polttokennon koko | 3.9% |
| Vetysäiliön koko | 18.3% |
| Verkkosähköä varten tarvitaan vedyn tuotantoa | 31.4% |
| Maanalaisen lämpöenergian suurin purkausnopeus | 1% |
| Maanalainen lämpöenergian varastointikapasiteetti | 27.3% |
| Maatuulen nimikilven kapasiteetti | 1.2% |
| Offshore-tuulen nimikilven kapasiteetti | 0.54% |
| Utility PV nimikilven kapasiteetti | 0.54% |
| CSP-nimikilven kapasiteetti | 0.84% |
Ristiviittaus – Täydentävä materiaali: Firetiilien vaikutukset teollisuusprosessien lämpöön
Kaiken enimmäispurkausnopeuksia ja varastointikapasiteettia kasvatettiin lisäämällä tulenkestäviä tiiliä. Mutta sähkövarastoon ja matalan lämpötilan lämmönvarastointiin vaikutus oli päinvastainen. Yksinkertaisesti sanottuna tulipalojen lisääminen lisäsi kaikkien varastotyyppien enimmäispurkausnopeutta, mutta pienensi niiden enimmäiskapasiteettia.
Japanin talon hiilijalanjälki on 38 tonnia, kertoo tutkimus. mikä on mielenkiintoista. Mietin mikä on taloni hiilijalanjälki!
Kustannusten alennus palotiileillä
Kaikissa arvioiduissa 149 maassa tulenkestävä tiilikotelo tarvittiin 14.5 % vähemmän (32.2 TWh 37.7 TWh sijasta) akun tallennuskapasiteetti kuin peruskotelossa. Tulipiilivaraston kustannusten huomattava aleneminen verrattuna akkuvarastointiin on tärkein syy alhaisempiin energiakustannuksiin tulenkestävässä tiilikotelossa.
Alla olevassa kuvassa on esitetty sähkön ja matalan lämpötilan lämmönvarastojen sekä tulenkestävällä tiilillä varustettujen generaattoreiden kapasiteetin vähentämisen edut. Se myös vähentää 149 maan siirtymäpääomakustannuksia WWS:ään 58.24 dollarista 56.97 biljoonaan dollariin (2020 USD) 1.27 biljoonaan dollariin (2.2 %).
Pääomakustannusten laskua havaittiin kuitenkin kaikilla alueilla Kanadaa ja Islantia lukuun ottamatta. Tämä johtuu siitä, että niillä on jo runsaasti ja säännöllisiä vesi- ja tuulivoimavaroja, eivätkä ne vaadi tulenkestävää tiiliä (mutta se asennettiin silti prosessin aikana).
Lisäksi, oli laskua vuonna Tasoitettu energiakustannus (LCOE) kirjoittaja 0.15 ¢/kWh (1.7 %) ja vuotuiset energiakustannukset 119 miljardia dollaria vuodessa (1.78 %) 149 maassa.
LCOE-kustannusten alentaminen oli mahdollista alentamalla verkkoon liittyviä kustannuksia: kantaverkon vety-, maanalainen lämpöenergiavarasto, akku- ja sähköntuotantokustannukset.
Toisaalta, palotiilivarastointikapasiteetti kasvaa 0 TWh:sta 32.1 TWh:iin. Vaikka tulenkestävä tiilivarastokapasiteetti on 5.8 kertaa suurempi kuin alennettu akun tallennuskapasiteetti, sen hinta kWh:ta kohti on 1/10 akun varastoinnista. Se osoittaa selvästi, että paristojen vaihtaminen palotiiliin vähentää kustannuksia.
Vuotuinen keskimääräinen loppukäyttökysyntä BAU ja WWS 2050
Arvioidun energiantarpeen mukaan vuonna 2050 tulenkestävät tiilet yleensä lisääntyvät pienemmät vuosittaiset energiakustannuserot palotiilien ja peruskoteloiden välillä. Pienemmät pääomakustannukset yhdistettynä tulenkestävään tiileen vähentävät 3.2 %, mikä on 5.9 vuodesta 5.7 vuoteen osoittavat suurempia eroja 149 maassa" energiakustannusten takaisinmaksuaika. Tämä pätee silloin, kun on 100 % siirtymä WWS:ään.
Lisäksi kahdella alueella Kaakkois-Aasiassa ja Uudessa-Seelannissa takaisinmaksuaika lyhenee yli vuodella. Tulipiilen käyttö vähentää myös sähköntuottajille tarvittavaa maa-alaa. Todettu ero oli a 2,700 2 km0.43 (149 %) vähennys XNUMX maassa.
Firetiilien ainoa haittapuoli teollisissa lämmitysprosesseissa
Niin monien etujen ansiosta ainoa tässä havaittu haitta on sen avulla luotujen työmahdollisuuksien vähäinen määrä. Arviolta noin 0.51 % (118,000 XNUMX) vähemmän työpaikkoja luotiin koska sähkön ja matalien lämpötilojen lämmönvarastointikapasiteetit vähenivät sekä tarvittavat generaattorin nimikilvessä olevat kapasiteetit firebrick vs peruskotelot.
Kuinka varastoida aurinkoenergiaa ilman paristoja ja tulenkestävät tiilet, otetaanpa selvää!
Asiakastapaukset: Palotiilet teollisuusprosessien lämpöön
A raportti julkaistiin vuonna 2019 tutkineet Daniel C. Stack et ai. mainitsee tulenkestävällä tiilillä lämmitetyn energian varastoinnin suorituskyvyn. Ryhmä suoritti tietokonesimulaatioita palotiileillä ja varastoitu sähkö korkean lämpötilan lämmössä noin 1000-1700°C.
He järjestivät tulenkestävät tiilet erityiseen ja suojattuun malliin. Kun lämpöä tarvittiin, tiilet siirrettiin kylmään ilmavirtaan ja käytettiin sitten teollisiin toimintoihin tai sähkön tuotantoon höyryturbiinilla. Tämän avulla tutkijat päättelivät, että he voivat ladata ja purkaa tulenkestävät tiilet muutamassa tunnissa. He ehdottivat myös, että järjestelmiä, joiden kapasiteetti on 100-1000 megawattituntia, voidaan käyttää päivittäin.
Sähkön muuntamiseen lämpöenergiaksi käytettiin metalliseoksia ja keraamisia sähkövastuslämmittimiä. He liittivät tiilet (magnesiumoksidi, piikarbidi tai alumiinioksidi) lämmittimiin.
Havainnot:
Piikarbidi- ja molybdeenidisilisidilämmittimet saavuttivat korkeimmat lämpötilat. Mutta tasainen lämmön jakautuminen tiiliryhmän keskelle oli heille vaikeaa.
Nämä lämmittimet sopivat jopa 1100°C lämpötiloihin, mutta kun lämpötila saavuttaa 1500°C ja ylittää sen, ne alkavat huonontua. Tämä tapahtuu pääasiassa siksi, että niiden ulkoinen suojapinnoite väistää hapen diffuusiota.
Ehdotuksia
Tutkijat ehdottivat tulenkestävän tiilien lämmittämistä käyttämällä suoraa vastuslämmitystä (DRH). Sähköä johtavat tulenkestävät tiilet kuumennetaan sähkövirralla ja niiden lämpötila nousee 1800°C:een. Nämä tulenkestävät tiilet sisältävät kromia (johtavaa metallioksidia) seostettuna magnesium- tai nikkelioksidilla, jolloin ne saavuttavat korkeita lämpötiloja.
DRH:n edut
- Koska tulenkestävät tiilet ovat itse lämmityselementtejä, DRH osoittautuu edulliseksi ilman lämpötilan pudotusta elementin kuumentamisen ja tulipalojen välillä.
- Virta, taajuus tai jännite eivät myöskään vaikuta DRH:hen.
- Se ei vaadi kallista tehoelektroniikkaa.
- Se soveltuu liitettäväksi suoraan aurinkosähköjärjestelmään.
Tutkijat arvioivat, että 250 MWh:n alumiinioksidipalotiilijärjestelmän hinta ulkoisella lämmityksellä vuonna 2018 oli noin 10.75 dollaria/kWh-lämpövarasto. Tämä sisältää seuraavat suhteet:
- eristys (1.6 %)
- Suojasäiliö (7.2 %)
- tulenkestävät tiilet (18.4 %)
- Muuntaja (52.2 %)
- Puhallin (11.9 %)
- Metallinen lämmitinlanka (8.7 %)
Aluksi tulipalojen hinta oli noin 2.12 dollaria/kWh, mutta magnesiumoksidi olisi ollut kustannustehokas 1.87 dollaria/kWh ja piikarbidi noin 7.18 dollaria/kWh. Vertailun vuoksi akkujen hinta oli 250–500 dollaria/kWh, mikä on noin 10 kertaa enemmän kuin lämpövarastoinnin hinta kilowattituntia kohden.
Asiakastapaukset
2021
Vuoden 2021 tietojen mukaan sähkön osuus sähkön kokonaistuotannosta 20.6 maan loppukäyttösektoreilla oli vain 149 %. Loput vuorovesi- tai aaltoenergiasta 0.0043 %, geotermisestä 0.33 %, aurinkoenergiasta 3.63 %, tuulesta 6.54 % ja 15.5 % vesivoimasta.
Vuosina 2021-2022 noin 47 maata tuotti yli 50 % sähkön kysynnästä WWS:n avulla ja seitsemän maata 99.8-100 % sähköstä WWS:llä.
Tähän asti vesivoima on hallinnut WWS-tuotantoa, mutta aurinko ja tuuli ovat ottamassa markkinoita. Jos suurin osa maailman sähköstä on WWS:n tuottamaa, noin 90 % siitä olisi WWS:n tuottamaa.
2022
Noin 17% maailman hiilidioksidipäästöt vuonna 2 olivat peräisin teollisesta lämmönpoltosta. Myös 8.38 % oli peräisin kemiallisista reaktioista teräksen, sementin ja muiden tuotteiden valmistusvaiheessa.
Yhteenveto
Tämän perusteella tutkijat päättelivät, että tulitiilien vaikutukset teollisuusprosessien lämmössä 149 maassa ovat positiivisia ja ne ovat hyödyllinen työkalu teollisuuden prosessilämmön varastoimiseen ja puhtaaseen energiaan siirtymiseen. Tulipiilet voivat varastoida korkeita lämpötiloja teollisiin prosesseihin ja alentaa uusiutuvan energian kustannuksia. Niiden suorituskykyyn liittyy joitain epävarmuustekijöitä, kuten päivittäinen lämmönhukkaa. Mutta jopa 5 %:n päivittäisellä lämpöhäviöllä palotiilet ovat silti kustannustehokas vaihtoehto.
Vaikka tulenkestävät tiilet eivät rajoita teollisuuden päästöjä, mutta niiden lämmöntuotannon päästöjä voidaan vähentää suuressa määrin. Näin ollen tarvitaan politiikkaa ja kannustimia ilmastonmuutoksen, energiavarmuuden ja ilmansaasteiden käsittelemiseksi kestävien mahdollisten ratkaisujen edistämiseksi.
Lähde: Tulipiilien vaikutukset teollisuusprosessien lämmössä
Lähde: Lisätiedot
