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'accumulo di calore di processo industriale 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 vengono confrontati con simulazioni senza mattoni refrattari.
La transizione verso fonti di energia pulita deve soddisfare tutti e quattro gli obiettivi. L'elettrificazione deve essere realizzata in tutti i settori energetici, compresi quello 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, è necessario combinare l'energia eolica, idroelettrica e solare (WWS) con i 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 utilizzare costosi sistemi di riscaldamento a biomassa e a gas per immagazzinare energia elettrica destinata al riscaldamento continuo di processi industriali a temperature variabili, si preferisce utilizzare l'energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili variabili. Questa può essere utilizzata, quando disponibile, per immagazzinare calore nei mattoni refrattari.
L'energia elettrica immagazzinata può essere convertita in calore collegando i mattoni refrattari a resistenze elettriche metalliche o tramite riscaldamento a resistenza diretta (DRH) dei mattoni refrattari stessi. I sistemi di accumulo termico in mattoni refrattari sono circondati da un altro tipo di mattoni refrattari più isolanti e poi da uno strato di acciaio per ridurre ulteriori dispersioni di calore. In alternativa, i mattoni sono racchiusi in un robusto contenitore di acciaio.
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 prelevato dai mattoni refrattari quando necessario, mediante 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 come isolanti, i mattoni refrattari devono resistere alle alte temperature ma avere una bassa conducibilità termica. Poiché la silice ha una bassa conducibilità termica (0.3 W/mK), viene generalmente utilizzata nei mattoni refrattari isolanti.
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
Da tempo immemorabile, gli esseri umani utilizzano i mattoni refrattari per immagazzinare calore nei rigeneratori di calore necessari alla produzione di 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.
Curiosità : prima del 2018, la Cina immagazzinava 10 MW di calore in mattoni refrattari per complessi commerciali e progetti di teleriscaldamento.
Di recente è stato riportato che gli edifici più alti potrebbero trasformarsi in depositi di energia verde sfruttando la forza di gravità.
Potenziali opzioni di mattoni refrattari
Un altro materiale simile ai mattoni refrattari sono i materiali refrattari , storicamente 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.
I mattoni refrattari contengono elevate percentuali di allumina e silice. Sono inoltre presenti tracce di ossido di magnesio (MgO), ossido di calcio (CaO) e ossido di ferro (Fe2O3). Nel XIX secolo, in Cile, venivano utilizzati per rivestire le fonderie di rame. Oggi, tuttavia, queste alternative economiche sono prodotte anche con ossido di cromo e/o mullite (un minerale di silicato di alluminio). Le miscele per mattoni refrattari possono contenere anche ossido di zirconio (ZrO2), carburo di silicio (SiC) e zircone (ZrSiO4).
1. Grafite (carbonio solido puro di bassa qualità)
Si tratta di un'altra potenziale opzione e può essere riscaldata fino a 2,400 °C . Tuttavia, questa tecnologia presenta diverse sfide che ne compromettono la redditività. La sfida principale è la lenta vaporizzazione della grafite, inoltre ha una capacità di trasferimento del calore limitata poiché utilizza il riscaldamento radiante, e per molte applicazioni potrebbe essere necessario un trasferimento di calore aggiuntivo.
La temperatura dei mattoni refrattari non è uguale alla temperatura del materiale riscaldato. La temperatura dei materiali, infatti, dipende dalla massa specifica e dal calore specifico degli altri mattoni refrattari e dei materiali, nonché dalla dispersione di calore tra di essi.
Ad esempio : supponiamo che i 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 le proprietà del materiale che per la sua dispersione di calore.
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, la stabilità della rete è stata osservata nel caso dei mattoni refrattari , in modo simile al caso base. Alcune delle principali differenze tra i due metodi (base e mattoni refrattari) sono riportate 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 di processo industriale
Complessivamente, l'aggiunta di mattoni refrattari ha aumentato la velocità di scarica massima e la capacità di accumulo . Tuttavia, per l'accumulo di energia elettrica e di calore a bassa temperatura, l'effetto è stato opposto. In parole semplici, l'aggiunta di mattoni refrattari ha aumentato la velocità di scarica massima per tutti i tipi di accumulo, ma ha ridotto la capacità massima per gli stessi.
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Riduzione dei costi con i mattoni refrattari
In tutti i 149 paesi valutati, il caso dei mattoni refrattari ha richiesto il 14.5% in meno di capacità di accumulo a batteria (32.2 TWh anziché 37.7 TWh) rispetto al caso base. La notevole riduzione del costo dell'accumulo con mattoni refrattari rispetto all'accumulo a batteria è la ragione principale dei minori costi energetici nel caso dei 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 accumulo dei mattoni refrattari aumenta da 0 TWh a 32.1 TWh . Sebbene la capacità di accumulo dei mattoni refrattari sia 5.8 volte superiore alla ridotta capacità di accumulo delle batterie, il suo costo per kWh è un decimo di quello delle batterie. Ciò indica chiaramente che la sostituzione delle batterie con i mattoni refrattari ridurrà i costi.
Domanda media annuale di utilizzo finale BAU e WWS 2050
Secondo le stime sulla domanda di energia nel 2050, i mattoni refrattari tendono ad aumentare le differenze di costo energetico annuo inferiori tra i mattoni refrattari e i casi base. I minori costi di capitale combinati con i mattoni refrattari contribuiscono a una diminuzione del 3.2%, ovvero da 5.9 a 5.7 anni, mostrando maggiori differenze nel tempo di recupero dei costi energetici in 149 paesi . Questo nel caso in cui si verifichi una transizione al 100% verso i sistemi di riscaldamento dell'acqua.
Inoltre, in due regioni, il Sud-est asiatico e la Nuova Zelanda, il tempo di ammortamento si riduce di oltre un anno . L'utilizzo di mattoni refrattari riduce anche la superficie di terreno necessaria per gli impianti di produzione di energia elettrica. La differenza riscontrata 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 numerosi vantaggi, l'unico svantaggio riscontrato è il basso numero di opportunità di lavoro create. Si stima che siano stati creati circa lo 0.51% (118,000) di posti di lavoro in meno, a causa delle riduzioni nella capacità di accumulo di energia elettrica e calore a bassa temperatura, nonché della potenza nominale dei generatori necessari nei casi di mattoni refrattari rispetto ai casi base.
Come immagazzinare l'energia solare senza batterie e mattoni refrattari? Scopriamolo insieme!
Casi di studio: Mattoni refrattari per il calore dei processi industriali
Un rapporto pubblicato nel 2019 da Daniel C. Stack e colleghi menziona le prestazioni dell'accumulo di energia tramite riscaldamento a resistenza con mattoni refrattari. Il team ha condotto simulazioni al computer con mattoni refrattari e ha immagazzinato elettricità ad alte temperature, comprese tra circa 1000 e 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 di utilizzare 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 ossido di cromo (un ossido metallico conduttivo) drogato con ossido di magnesio o nichel, il che consente loro di raggiungere temperature elevate.
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
Nel 2022, circa il 17% delle emissioni globali di CO2 proveniva dalla combustione di calore industriale. Inoltre, l'8.38% era dovuto a 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 di processo industriale
Fonte: Informazioni supplementari
