È importante affrontare il fatto che dobbiamo trovare modi per riscaldare la produzione senza emissioni. Le tecnologie eoliche e solari sono utili, ma la loro produzione varia in base alla loro disponibilità, inoltre necessitano di sistemi di accumulo esterni. Tuttavia, di recente i ricercatori hanno scoperto un'alternativa sostenibile per la stessa, i mattoni refrattari. I ricercatori hanno scoperto gli effetti positivi dei mattoni refrattari per il calore dei processi industriali in 149 paesi.
Sì, hanno risolto il problema principale di immagazzinare l'energia a un costo inferiore a 1/10 del costo delle batterie. Dopo aver eseguito simulazioni al computer in 149 paesi, i mattoni refrattari si sono rivelati uno strumento notevole per ridurre i costi di transizione per l'energia rinnovabile.
Effetti del mattone refrattario per il calore dei processi industriali in 149 paesi
Obiettivo dello studio:Analizzare l'impatto dell'utilizzo di mattoni refrattari per l'immagazzinamento del calore dei processi industriali sul costo dell'energia e sulla stabilità delle reti elettriche in 149 paesi.
Per raggiungere questi obiettivi entro il 2050, i paesi puntano a generare calore ed elettricità utilizzando al 100% fonti eoliche, idriche e solari.
Processi adottati nello studio
I ricercatori hanno utilizzato il riscaldamento a resistenza elettrica per riscaldare i mattoni refrattari. Questo calore rimarrà immagazzinato fino a quando non sarà necessario per i processi industriali. I risultati osservati sono confrontati con simulazioni senza mattoni refrattari.
La transizione verso fonti di energia pulita deve soddisfare tutti e quattro gli scopi. L'elettrificazione deve essere effettuata in tutti i settori energetici, tra cui residenziale, commerciale, industriale e altri. L'energia solare e geotermica saranno utilizzate per riscaldare edifici e industrie, motivo per cui non saranno elettrificate. Per sostituire il sistema attuale, vento, acqua, sole (WWS) devono essere combinati con generatori elettrici.
Calore e industrie: temperatura richiesta
Le industrie necessitano di temperature e quantità di calore variabili per vari processi.
- Produzione ordinaria di cemento e calce – 1,300–1,800° C
- Produzione di silice fusa, vetro, ferro tradizionale e acciaio – 1,000–1,500° C
- Produzione di minerali inorganici – 150–500° C
- Produzione di alcol e prodotti chimici di base – 100–300° C
- Cartiere, cartiere e fabbriche di cellulosa – <100° C
Tuttavia, l'IEA non include l'elettricità di rete nei processi industriali, ma con le turbine a vapore necessita di una temperatura >200° C e con le celle termofotovoltaiche, questo settore necessita di circa 1,000-2,000° C.
Generalmente, grandi quantità di calore vengono prodotte dalla combustione continua di carbone, combustibili fossili, petrolio o biomassa. Include anche l'uso di forni e caldaie a resistenza elettrica che sono ad arco elettrico, fasci di elettroni e induzione elettrica, ma utilizza anche riscaldatori dielettrici e pompe di calore elettriche.
Invece di BS e GHS ad alto costo per immagazzinare elettricità per calore di processo industriale continuo da bassa ad alta temperatura, si preferisce usare elettricità WWS variabile. Questa può essere usata quando e se disponibile per immagazzinare calore nei mattoni refrattari.
L'elettricità immagazzinata può essere convertita in calore collegando i mattoni refrattari a riscaldatori a resistenza elettrica metallica o tramite riscaldamento a resistenza diretta (DRH) dei mattoni refrattari. Accumulatori di calore in mattoni refrattari sono circondati da un altro tipo di mattone refrattario che è più isolante e poi da uno strato di acciaio per ridurre qualsiasi ulteriore perdita di calore. Oppure c'è un contenitore spesso di acciaio che circonda i mattoni.
Caratteristiche dei mattoni refrattari ad accumulo di calore
- I mattoni refrattari possono essere utilizzati in modo efficace se disposti in modo da consentire il flusso dell'aria attraverso i canali.
- I mattoni refrattari sono convenienti perché non necessitano di scambiatori di calore e possono essere realizzati con materiali poco costosi che immagazzinano calore.
- Hanno calore e densità specifici e quindi possono assorbire molta energia con un piccolo aumento di temperatura.
- Hanno punti di fusione elevati.
Il calore elaborato viene estratto dai mattoni refrattari quando necessario in uno dei seguenti metodi.
- Si ottiene facendo passare aria ambiente o riciclata a bassa-alta temperatura attraverso canali nei mattoni. Attraverso la radiazione infrarossa diretta da mattoni roventi.
- Simili ai mattoni refrattari, hanno anche buone proprietà isolanti e alti punti di fusione. Un alto punto di fusione consente loro di resistere ad alte temperature e prevenire una rapida perdita di calore.
Requisiti ideali per l'accumulo di calore dei mattoni refrattari
Se utilizzati per l'isolamento, i mattoni refrattari devono resistere ad alte temperature ma con basse conduttività termiche. Poiché la silice ha una bassa conduttività termica (0.3 W/mK), viene generalmente utilizzato per isolare i mattoni refrattari.
Il silicato di allumina è anche utilizzato in tipi comuni di mattoni refrattari isolanti (per lo più allumina e sabbia). È anche incluso nei mattoni di silicato di calcio (preferibilmente sabbia e calcare).
Applicazioni dei mattoni refrattari
Per molto tempo, gli esseri umani hanno utilizzato mattoni refrattari per immagazzinare calore in recuperatori di calore per produrre vetro e acciaio.
Cosa sono i rigeneratori?
Si tratta di scambiatori di calore che ricevono calore da un gas di combustione ad alta temperatura. Quindi immagazzinano il calore per 20-30 minuti e poi usano questo calore per preriscaldare l'aria per la combustione.
Fatto veloce – La Cina era immagazzinare 10 MW di calore in mattoni refrattari per complessi commerciali e progetti di teleriscaldamento prima del 2018.
Recentemente è stato riferito che gli edifici più alti potrebbero trasformarsi in depositi di energia verde grazie alla gravità.
Potenziali opzioni di mattoni refrattari
Un altro materiale simile ai mattoni refrattari è materiali refrattari che storicamente venivano utilizzati per vari scopi.
- All'inizio dell'età del bronzo (4,000-3,000 a.C.) per rivestire forni primitivi.
- Durante l'età del ferro (1,500-500 a.C.), per realizzare forni per la lavorazione del ferro.
- Fin dagli inizi del 1600, nei crogioli per il vetro fuso.
- Dalla metà del 1850 nelle fornaci per la produzione dell'acciaio.
Mattoni refrattari contenere alte percentuali di allumina e silice. Contiene anche tracce di magnesia (MgO), ossido di calcio (CaO) e ossido di ferro (Fe2O3). Nel 1800 in Cile, venivano usati per rivestire le fonderie di rame. Tuttavia, oggi queste opzioni a basso costo sono realizzate anche con cromia e/o mullite (minerale di silicato di alluminio). Ma le miscele di mattoni refrattari possono contenere anche zirconia (ZrO2), carburo di silicio (SIC) e zircone (ZrSiO4).
1. Grafite (carbonio solido puro di bassa qualità)
È un'altra possibile opzione e può essere riscaldato fino a 2,400° CTuttavia, questa tecnologia presenta varie sfide per mantenerla conveniente. La sfida principale è la lenta vaporizzazione della grafite, quindi ha una limitata capacità di trasferimento del calore poiché utilizza il riscaldamento radiante, perché per molte applicazioni potrebbe richiedere un ulteriore trasferimento di calore.
La temperatura dei mattoni refrattari non è la stessa della temperatura del materiale riscaldato. Poiché il la temperatura dei materiali dipende da masse e calore specifici di altri mattoni refrattari e materiali insieme alla perdita di calore tra i due.
Per esempio: Supponiamo che mattoni refrattari di grafite forniscano calore a 1500° C a un materiale. In questo caso, la grafite deve essere riscaldata a 1800-2000° C sia per la proprietà che per la perdita di calore dei materiali.
Metodi coinvolti nei mattoni refrattari per lo studio del calore dei processi industriali
Lo studio degli effetti dei mattoni refrattari sul calore dei processi industriali in 149 paesi coinvolge 3 tipi di modelli, come indicato di seguito.
Metodo n. 1 Modello di foglio di calcolo
Viene utilizzato per stimare la domanda di energia Business as Usual (BAU) e di energia eolica, idrica e solare (WWS) del 2050 in base alla domanda BAU attuale. Viene inoltre utilizzato per calcolare le capacità nominali necessarie ai generatori WWS per soddisfare la domanda WWS del 2050.
Metodo n. 2 inquinamento atmosferico-climatico-meteo globale
I risultati del modello di foglio di calcolo vengono immessi in GATOR-GCMOM, un modello globale di inquinamento atmosferico-clima-meteo. Questo modello prevede la fornitura di energia solare ed eolica insieme alla fornitura di energia solare termica ed elettrica da onde. Prevede inoltre le esigenze di raffreddamento e riscaldamento degli edifici a livello globale ogni 30 secondi per diversi anni.
Queste previsioni per le temperature solari, dell'aria e del vento, insieme all'input derivante dalla capacità nominale del generatore nel modello del foglio di calcolo.
Metodo n. 3 LOADMATCH
L'output di GATOR-GCMOM viene immesso in LOADMATCH. Questo confronta la domanda con l'offerta, lo stoccaggio e la risposta alla domanda ogni 30 secondi per più anni. Le simulazioni di LOADMATCH vengono eseguite per 3 anni, dal 2050 al 2052 con un intervallo temporale di 30 secondi.
Confronto delle simulazioni : Vengono confrontati 2 set di simulazioni: uno con mattoni refrattari (caso mattoni refrattari) e l'altro senza mattoni refrattari (caso base). Le simulazioni LOADMATCH vengono eseguite in 29 regioni che coprono 149 paesi.
Osservazioni
In tutte le 29 regioni, è stata osservata la stabilità della griglia nel caso dei mattoni refrattari, simile al caso base. Alcune delle principali differenze tra entrambi i metodi (base e mattoni refrattari) sono menzionate nella tabella sottostante. i mattoni refrattari hanno ridotto i requisiti di capacità di stoccaggio, e le variazioni osservate sono le seguenti:
| Parametro | Differenza percentuale = 100% × (a − b)/b |
| Capacità di conservazione della batteria | 14.5% |
| Dimensioni delle celle a combustibile per l'immagazzinamento di idrogeno verde | 3.9% |
| Dimensioni del serbatoio di idrogeno | 18.3% |
| Produzione di idrogeno necessaria per l'elettricità della rete | 31.4% |
| Portata massima di scarico dell'energia termica sotterranea | 1% |
| Capacità di accumulo di energia termica sotterranea | 27.3% |
| Capacità nominale dell'eolico onshore | 1.2% |
| Capacità nominale dell'eolico offshore | 0.54% |
| Capacità nominale dell'impianto fotovoltaico di pubblica utilità | 0.54% |
| Capacità della targa CSP | 0.84% |
Riferimento incrociato – Materiale supplementare: Effetti dei mattoni refrattari sul calore dei processi industriali
Complessivamente, la velocità di scarico massime e capacità di stoccaggio aumentate aggiungendo mattoni refrattari. Ma per l'accumulo elettrico e l'accumulo di calore a bassa temperatura, l'effetto è stato opposto. In parole povere, l'aggiunta di mattoni refrattari ha aumentato la velocità di scarica massima per tutti i tipi di accumulo, ma ne ha ridotto la capacità massima.
L'impronta di carbonio di una casa in Giappone è di 38 tonnellate, secondo uno studio, il che è interessante. Mi chiedo quale sia l'impronta di carbonio della mia casa!
Riduzione dei costi con i mattoni refrattari
In tutti i 149 paesi valutati, il cassa in mattoni refrattari necessaria 14.5% in meno (32.2 TWh anziché 37.7 TWh) di capacità di accumulo della batteria rispetto al caso base. La notevole riduzione del costo dell'accumulo in mattoni refrattari rispetto all'accumulo in batteria è la ragione principale dei costi energetici inferiori nel caso in mattoni refrattari.
La figura sottostante indica i vantaggi della riduzione delle capacità di elettricità e di accumulo di calore a bassa temperatura e dei generatori con mattoni refrattari. Riduce inoltre i costi di capitale di transizione di 149 paesi a WWS da $ 58.24 a $ 56.97 trilioni (2020 USD) a $ 1.27 trilioni (2.2%).
Tuttavia, è stata osservata una diminuzione dei costi di capitale in tutte le regioni, eccetto Canada e Islanda. Questo perché hanno già una fornitura abbondante e regolare di risorse idroelettriche ed eoliche e non richiedono un approccio in mattoni refrattari (ma è stato comunque installato durante il processo).
Inoltre, c'è stata una diminuzione nella Costo livellato dell’energia (LCOE) di 0.15 ¢/kWh (1.7%) e costo energetico annuale di 119 miliardi di dollari/anno (1.78%) in 149 paesi.
È stato possibile ridurre i costi LCOE riducendo i costi correlati alla rete: idrogeno in rete, accumulo di energia termica sotterranea, batterie e costi di produzione di elettricità.
D'altro canto, la capacità di stoccaggio dei mattoni refrattari aumenta da 0 TWh a 32.1 TWh. Sebbene la capacità di stoccaggio dei mattoni refrattari sia 5.8 volte maggiore della capacità di stoccaggio ridotta della batteria, il suo costo per kWh è 1/10 dello stoccaggio della batteria. Ciò indica chiaramente che la sostituzione delle batterie con mattoni refrattari ridurrà i costi.
Domanda media annuale di utilizzo finale BAU e WWS 2050
Secondo la stima della domanda energetica nel 2050, i mattoni refrattari tendono ad aumentare le minori differenze nei costi energetici annui tra mattoni refrattari e casi base. I minori costi di capitale combinati con i mattoni refrattari contribuiscono a una diminuzione del 3.2%, che passa da 5.9 a 5.7 anni mostrando differenze maggiori in 149 paesi tempo di ritorno dei costi energetici. Questo nel caso in cui vi sia una transizione al 100% a WWS.
Inoltre, in 2 regioni, Sud-est asiatico e Nuova Zelanda, il tempo di rientro dell'investimento diminuisce di oltre un anno. L'uso di mattoni refrattari riduce anche il terreno necessario per i generatori di elettricità. La differenza notata è stata una riduzione di 2,700 km2 (0.43%) in 149 paesi.
L'unico inconveniente dei mattoni refrattari nei processi di riscaldamento industriale
Nonostante i suoi innumerevoli vantaggi, l'unico aspetto negativo è il basso numero di opportunità di lavoro che si creano. Si stima che siano stati creati circa lo 0.51% (118,000) di posti di lavoro in meno poiché vi sono state riduzioni nelle capacità di accumulo di elettricità e calore a bassa temperatura insieme alle capacità nominali del generatore necessarie in mattoni refrattari contro casi base.
Come immagazzinare l'energia solare senza batterie e mattoni refrattari, scopriamolo!
Casi di studio: Mattoni refrattari per il calore dei processi industriali
A rapporto pubblicato nel 2019 ricercato da Daniel C. Stack et al. menziona le prestazioni dell'accumulo di energia riscaldato tramite resistenza dei mattoni refrattari. Il team ha condotto simulazioni al computer con mattoni refrattari e elettricità immagazzinata ad alta temperatura, pari a circa 1000-1700° C.
Hanno disposto i mattoni refrattari in uno schema specifico e protetto. Quando era necessario calore, i mattoni venivano spostati verso un flusso di aria fredda e poi utilizzati per operazioni industriali o per produrre elettricità tramite una turbina a vapore. Grazie a ciò, i ricercatori hanno concluso che in poche ore possono caricare e scaricare i mattoni refrattari. Hanno anche suggerito che sistemi con una capacità da 100 a 1000 megawattora possono essere utilizzati quotidianamente.
Per convertire l'elettricità in energia termica venivano utilizzati riscaldatori elettrici a resistenza in lega metallica e ceramica. Collegavano mattoni (di magnesia, carburo di silicio o allumina) ai riscaldatori.
Osservazioni:
I riscaldatori in carburo di silicio e disiliciuro di molibdeno hanno raggiunto le temperature più elevate. Ma anche la distribuzione del calore al centro della matrice di mattoni era difficile per loro.
Per temperature fino a 1100° C, questi riscaldatori sono adatti, ma una volta che la temperatura raggiunge e supera i 1500° C, iniziano a deteriorarsi. Ciò accade principalmente perché il loro rivestimento protettivo esterno cede il passo alla diffusione dell'ossigeno.
Suggerimenti
Per riscaldare i mattoni refrattari, i ricercatori hanno suggerito utilizzando il riscaldamento a resistenza diretta (DRH)). I mattoni refrattari elettricamente conduttivi vengono riscaldati con corrente elettrica e la loro temperatura sale fino a 1800° C. Questi mattoni refrattari contengono cromia (un ossido di metallo conduttivo) drogato con ossido di magnesio o nichel, consentendo loro di raggiungere alte temperature.
Vantaggi di DRH
- Poiché i mattoni refrattari sono essi stessi elementi riscaldanti, il DRH si rivela vantaggioso poiché non vi è alcuna caduta di temperatura tra il riscaldamento dell'elemento e quello dei mattoni refrattari.
- Inoltre, la DRH non è influenzata dalla corrente, dalla frequenza o dalla tensione.
- Non richiede costosi componenti elettronici di potenza.
- È adatto per il collegamento diretto a un impianto fotovoltaico.
I ricercatori hanno stimato che il prezzo di un sistema di mattoni refrattari in allumina da 250 MWh con riscaldamento esterno nel 2018 era di circa $ 10.75/kWh-accumulo termico. Ciò include i seguenti rapporti:
- Isolamento (1.6%)
- Contenitore di contenimento (7.2%)
- Mattoni refrattari (18.4%)
- Trasformatore (52.2%)
- Soffiatore (11.9%)
- Filo riscaldante metallico (8.7%)
Per cominciare, il prezzo dei mattoni refrattari era di circa $ 2.12/kWh, tuttavia, l'ossido di magnesio sarebbe stato conveniente a $ 1.87/kWh e il carburo di silicio sarebbe costato circa $ 7.18/kWh. Ma in confronto, il costo delle batterie era di $ 250-$ 500/kWh, che è circa 10 volte superiore al costo dell'accumulo termico per kWh.
Casi di studio
2021
Secondo i dati del 2021, l'elettricità ha rappresentato solo il 20.6% dell'energia totale richiesta nei settori di utilizzo finale di 149 paesi. I restanti contributi provenivano da maree o energia delle onde 0.0043%, geotermica 0.33%, solare 3.63%, eolica 6.54% e idroelettrica 15.5%.
Nel 2021-2022, circa 47 paesi hanno generato oltre il 50% dell'elettricità richiesta con WWS e sette paesi hanno generato il 99.8-100% dell'elettricità con WWS.
Finora l'energia idroelettrica ha dominato la generazione WWS, ma solare ed eolico stanno conquistando il mercato. Nel caso in cui la maggior parte dell'elettricità nel mondo fosse generata da WWS, circa il 90% di essa sarebbe generata da WWS.
2022
Circa il 17% di emissioni globali di CO2 nel 2022 provenivano dalla combustione del calore industriale. Inoltre, l'8.38% proveniva da reazioni chimiche durante la fase di produzione di acciaio, cemento e altri prodotti.
Conclusione
Con questo, i ricercatori hanno concluso che gli effetti dei mattoni refrattari per il calore dei processi industriali in 149 paesi sono positivi e sono uno strumento utile per immagazzinare il calore dei processi industriali e passare all'energia pulita. I mattoni refrattari possono immagazzinare alte temperature di calore per i processi industriali e ridurre il costo dell'energia rinnovabile. Ci sono alcune incertezze sulle loro prestazioni come il tasso di perdita giornaliera di calore. Ma anche con un tasso di perdita giornaliera di calore del 5%, i mattoni refrattari sono ancora un'opzione conveniente.
Anche se i mattoni refrattari non affrontano le emissioni industriali, le loro emissioni derivanti dalla produzione di calore possono essere ridotte in larga misura. Pertanto, sono necessarie politiche e incentivi per affrontare il cambiamento climatico, la sicurezza energetica e l'inquinamento atmosferico per promuovere potenziali soluzioni sostenibili.
Fonte: Effetti dei mattoni refrattari sul calore dei processi industriali
Fonte: Supplemento Informazioni
