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 tavoite : Analysoida tulenkestävien tiilien käytön vaikutusta teollisuusprosessien lämmön varastointiin energiakustannuksiin 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 käyttäneet sähkövastuslämmitystä sähkön sijaan tulitiilien lämmittämiseen . Tämä lämpö varastoidaan, kunnes sitä tarvitaan teollisissa prosesseissa. Saatuja tuloksia verrataan simulaatioihin, joissa ei käytetä tulitiiliä.
Siirtymisen puhtaisiin energialähteisiin on palveltava kaikkia neljää tarkoitusta. Sähköistäminen on tehtävä kaikilla energiasektoreilla, mukaan lukien asuin-, liike- ja teollisuusrakennukset sekä muut. Aurinko- ja maalämpöä käytetään rakennusten ja teollisuuden lämmitykseen, minkä vuoksi niitä ei sähköistetä. Nykyisen järjestelmän korvaamiseksi tuuli-, vesi- ja aurinkoenergia (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.
Jatkuvan matalan tai korkean lämpötilan teollisuusprosessien lämmöntuotannon sähkön varastointiin kalliiden BS- ja GHS-järjestelmien sijaan on parempi käyttää vaihtelevaa WWS-sähköä. Tätä voidaan käyttää tarvittaessa lämmön varastointiin tulenkestävissä tiilissä.
Varastoitu sähkö voidaan muuntaa lämmöksi kytkemällä tulisijat metallisiin sähkövastuslämmittimiin tai suoraan vastuslämmitykseen (DRH). Tulenkestävien tiilien lämmönvaraajat ympäröi eristävämpi tulisija ja teräskerros lämpöhäviöiden vähentämiseksi. Tai tiilien ympärillä on 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.
Käsitelty lämpö otetaan tarvittaessa tulenkestävistä tiilistä jommallakummalla seuraavista menetelmistä.
- 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, niiden on kestettävä korkeita lämpötiloja, mutta niiden lämmönjohtavuus on oltava alhainen. Koska piidioksidilla on alhainen lämmönjohtavuus (0.3 W/mK), sitä käytetään yleensä tulenkestävien tiilien eristämisessä.
Alumiinioksidisilikaattia käytetään myös yleisissä eristävissä tulenkestävissä tiilityypeissä (enimmäkseen alumiinioksidi ja hiekka). Se sisältyy myös kalsiumsilikaattitiileihin (mieluiten hiekkaan ja kalkkikiveen).
Firebricks sovellukset
Ihmiset ovat jo pitkään käyttäneet tulenkestäviä tiiliä lämmön varastointiin lämmöntalteenottimissa lasin ja teräksen valmistuksessa .
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.
Lyhyesti sanottuna Kiina varastoi 10 MW lämpöä tulisijoihin kaupallisia komplekseja ja kaukolämpöhankkeita varten ennen vuotta 2018.
Äskettäin raportoitiin, että korkeimmat rakennukset voisivat muuttua painovoiman avulla vihreän energian varastoiksi.
Mahdolliset Firebrick-vaihtoehdot
Toinen tulenkestävän tiilen kaltainen materiaali on tulenkestävät materiaalit , joita on historiallisesti käytetty erilaisiin 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 sisältävät runsaasti alumiinioksidia ja piidioksidia. Niissä on myös jäämiä magnesiumoksidista (MgO), kalsiumoksidista (CaO) ja rautaoksidista (Fe2O3). Chilessä näitä käytettiin 1800-luvulla kuparisulattojen vuoraamiseen. Nykyään näitä edullisia vaihtoehtoja valmistetaan kuitenkin myös kromioksidista ja/tai mulliitista (alumiinisilikaattimineraali). Mutta tulenkestävät tiiliseokset voivat sisältää myös zirkoniumoksidia (ZrO2), piikarbidia (SIC) ja zirkonia (ZrSiO4).
1. Grafiitti (puhdas matalalaatuinen kiinteä hiili)
Se on toinen mahdollinen vaihtoehto, ja se voidaan lämmittää 2 400 °C:seen . Tämän teknologian kustannustehokkuuden säilyttämisessä on kuitenkin useita haasteita. Suurin haaste on grafiitin hidas höyrystyminen, ja sen lämmönsiirtokyky on rajallinen, koska siinä käytetään säteilylämmitystä, koska monissa sovelluksissa se saattaa vaatia lisälämmönsiirtoa.
Tulenkestävän tiilen lämpötila ei ole sama kuin lämmitetyn materiaalin lämpötila. Materiaalien lämpötila riippuu muiden tulenkestävän tiilien ja materiaalien ominaismassoista ja lämmöstä sekä niiden välisestä lämmönhukasta.
Esimerkiksi : Oletetaan, että grafiittiset tulenkestävät tiilet syöttävät materiaaliin 1500 °C:n lämpöä. Tässä tapauksessa grafiitti on lämmitettävä 1800–2000 °C:seen sekä materiaalin ominaisuuksien että lämmönhukan 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 ruudukon vakautta havaittiin tulitiilimenetelmässä , samalla tavalla kuin perusmenetelmässä. Joitakin keskeisiä eroja menetelmien (perus- ja tulitiilimenetelmä) välillä on mainittu alla olevassa taulukossa. Tulitiilet pienensivät varastointikapasiteettivaatimuksia , 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% |
Ristiviite – Lisämateriaali: Tulenkestävän tiilen vaikutukset teollisuusprosessien lämpöön
Kaiken kaikkiaan maksimipurkausnopeudet ja varastointikapasiteetit kasvoivat lisäämällä tulenkestäviä tiiliä . Mutta sähkövarastoinnin ja matalan lämpötilan lämmönvarastoinnin osalta vaikutus oli päinvastainen. Yksinkertaisesti sanottuna tulenkestävien tiilien lisääminen lisäsi kaikkien varastointityyppien maksimipurkausnopeutta, mutta pienensi niiden maksimikapasiteettia.
Tutkimuksen mukaan japanilaisen talon hiilijalanjälki on 38 tonnia, mikä on mielenkiintoista. Mietin, mikä on minun taloni hiilijalanjälki!
Kustannusten alennus palotiileillä
Kaikissa 149 arvioidussa maassa tulitiiliratkaisussa tarvittiin 14.5 % vähemmän (32.2 TWh 37.7 TWh:n sijaan) akkujen varastointikapasiteettia kuin perusratkaisussa. Tulitiiliratkaisun kustannusten huomattava pieneneminen akkuvarastointiin verrattuna on tärkein syy tulitiiliratkaisun alhaisempiin energiakustannuksiin.
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 tulenkestävien tiilien varastointikapasiteetti kasvaa 0 TWh:sta 32.1 TWh:iin . Vaikka tulenkestävien tiilien varastointikapasiteetti on 5.8 kertaa suurempi kuin pienennetty akkujen varastointikapasiteetti, sen hinta kWh:ta kohden on 1/10 akkujen varastoinnista. Tämä osoittaa selvästi, että akkujen korvaaminen tulenkesttävillä tiilillä alentaa kustannuksia.
Vuotuinen keskimääräinen loppukäyttökysyntä BAU ja WWS 2050
Vuoden 2050 arvioidun energiankulutuksen mukaan tulenkestävät tiilet yleensä lisäävät vuotuisten energiakustannusten eroa tulenkestävän tiilen ja perusskenaarion välillä. Pienemmät pääomakustannukset yhdessä tulenkestävän tiilen kanssa vähentävät energiakustannuksia 3.2 prosentilla eli 5.9 vuodesta 5.7 vuoteen. Tämä osoittaa suurempia eroja 149 maan energiakustannusten takaisinmaksuajassa. Tämä on tapauksessa, jossa siirrytään 100-prosenttisesti vesihuoltoon (WWS).
Lisäksi kahdella alueella, Kaakkois-Aasiassa ja Uudessa-Seelannissa, takaisinmaksuaika lyhenee yli vuodella . Tulenkestävien tiilien käyttö vähentää myös sähköntuottajien tarvitsemaa maata. Havaittu ero oli 2 2,700 km2:n (0.43 %) vähennys 149 maassa.
Firetiilien ainoa haittapuoli teollisissa lämmitysprosesseissa
Vaikka etuja on niin paljon, ainoa tässä mainittu haittapuoli on luotujen työpaikkojen vähäinen määrä. Arviolta 0.51 % (118 000) vähemmän työpaikkoja luotiin, koska sähkön ja matalan lämpötilan lämmön varastointikapasiteettia sekä tarvittavien generaattoreiden nimelliskapasiteettia vähennettiin tulitiilissä verrattuna perustapaukseen.
Kuinka varastoida aurinkoenergiaa ilman paristoja ja tulenkestävää tiiltä, ota selvää!
Asiakastapaukset: Palotiilet teollisuusprosessien lämpöön
Daniel C. Stackin ym. vuonna 2019 julkaisemassa raportissa mainitaan tulenkestävän tiilen vastuslämmitteisen energian varastoinnin suorituskyky. Tiimi suoritti tietokonesimulaatioita tulenkestävällä tiilillä ja varastoi sähköä noin 1000–1700 °C:n lämpötilassa.
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 tulenkestävien tiilien lämmittämiseen suoraa vastuslämmitystä (DRH ). Sähköä johtavat tulenkestävät tiilet lämmitetään sähkövirralla, ja niiden lämpötila nousee jopa 1800 °C:een. Nämä tulenkestävät tiilet sisältävät magnesium- tai nikkelioksidilla seostettua kromia (johtavaa metallioksidia), minkä ansiosta 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 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä vuonna 2022 oli peräisin teollisuuden lämmönpoltosta. Lisäksi 8.38 % oli peräisin teräksen, sementin ja muiden tuotteiden valmistusvaiheen kemiallisista reaktioista.
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 : Tulenkestävien tiilien vaikutukset teollisuuden prosessilämmössä
Lähde: Lisätiedot
