排出物なしで生産を熱する方法を見つける必要があるという事実に取り組むことが重要です。風力と太陽光の技術は便利ですが、その出力は可用性によって異なり、外部の貯蔵システムが必要です。しかし、最近、研究者は、同じものの持続可能な代替品である耐火レンガを発見しました。研究者は、149か国で工業プロセスの熱に対する耐火レンガのプラス効果を発見しました。
はい、彼らはバッテリーの 1 分の 10 以下のコストでエネルギーを貯蔵するという主要な問題を解決しました。149 か国でコンピューター シミュレーションを実行した結果、耐火レンガは再生可能エネルギーへの移行コストを削減する優れたツールであることが判明しました。
149カ国における工業プロセス熱に対する耐火レンガの効果
研究目的：149か国において、工業プロセス熱の貯蔵に耐火レンガを使用することが、エネルギーコストと電力網の安定性に及ぼす影響を分析すること。
2050年までに目標を達成するために、各国は100% WWS（風力、水力、太陽光）源で熱と電力を生成することを目指しています。
研究で採用されたプロセス
研究者たちは、電気抵抗加熱を用いて耐火レンガを加熱した。この熱は、工業プロセスで必要になるまで蓄えられる。観測された結果は、耐火レンガを使用しない場合のシミュレーション結果と比較された。
クリーンエネルギー源への移行は、4 つの目的すべてを満たす必要があります。住宅、商業、産業など、すべてのエネルギー部門で電化を行う必要があります。太陽光と地熱は建物や産業の暖房に使用されるため、電化されません。現在のシステムを置き換えるには、風力、水力、太陽光 (WWS) を発電機と組み合わせる必要があります。
熱と産業：必要な温度
産業では、さまざまなプロセスにさまざまな温度と熱量が必要です。
- 通常のセメントと石灰の生産 – 1,300～1,800°C
- 溶融シリカ、ガラス、従来の鉄、鋼の生産 – 1,000～1,500°C
- 無機鉱物生産 – 150～500°C
- アルコールおよび基礎化学品製造 – 100～300°C
- 製紙、板紙、パルプ工場 – <100° C
しかし、IEA ではグリッド電力は産業プロセスに含まれていませんが、蒸気タービンでは 200°C を超える温度が必要であり、熱光電池ではこの分野で約 1,000～2,000°C が必要です。
一般的に、石炭、化石燃料、石油、またはバイオマスの連続燃焼によって大量の熱が生成されます。電気アーク、電子ビーム、電気誘導による電気抵抗炉やボイラーの稼働も含まれますが、誘電ヒーターや電気ヒートポンプも使用されます。
工業プロセスにおける低温から高温までの連続的な熱供給のために、高コストのBS（蓄熱システム）やGHS（ガス貯蔵システム）で電力を蓄える代わりに、変動するWWS（廃熱回収システム）電力を使用することが望ましい。これは、利用可能な時に耐火レンガに熱を蓄えるために使用できる。
蓄えられた電気は、耐火レンガを金属製電気抵抗ヒーターに接続したり、耐火レンガを直接抵抗加熱（DRH）したりすることで熱に変換できます。耐火レンガ蓄熱器は、より断熱性の高い別の種類の耐火レンガで囲まれ、さらに熱損失を抑えるために鋼板で覆われています。あるいは、レンガを厚い鋼鉄製の容器で囲む場合もあります。
蓄熱耐火レンガの特徴
- 空気が通り抜けられるようなパターンで配置することで、耐火レンガを効果的に使用することができます。
- 耐火レンガは熱交換器が不要で、安価な蓄熱材料から作ることができるため、コスト効率に優れています。
- 比熱と密度があるため、温度上昇がほとんどなく、大量のエネルギーを吸収することができます。
- 融点が高いです。
処理された熱は、必要に応じて以下のいずれかの方法で耐火レンガから引き出されます。
- これは、レンガのチャネルに周囲の空気またはリサイクルされた低温から高温の空気を通すことによって行われます。赤熱したレンガからの直接的な赤外線放射によって行われます。
- 耐火レンガと同様に、これらも優れた断熱性と高い融点を備えています。融点が高いため、高温に耐えることができ、急速な熱損失を防ぐことができます。
理想的な耐火レンガの蓄熱要件
断熱材として使用する場合、耐火レンガは高温に耐えるだけでなく、熱伝導率が低いことが求められます。シリカは熱伝導率が低い（0.3 W/mK）ため、一般的に断熱耐火レンガに用いられます。
アルミナケイ酸塩は、一般的なタイプの断熱耐火レンガ（主にアルミナと砂）にも使用されます。また、カルシウムケイ酸塩レンガ（砂と石灰岩が望ましい）にも含まれています。
耐火レンガの用途
人類は古くから、ガラスや鋼鉄を製造するための熱再生装置において、耐火レンガを蓄熱材として利用してきた。
再生装置とは何ですか?
これらは、高温の排気ガスから熱を受け取る熱交換器です。その後、熱を 20 ～ 30 分間蓄え、この熱を使用して燃焼用の空気を予熱します。
豆知識：中国は2018年以前、商業施設や地域暖房プロジェクト向けに、耐火レンガに10MWの熱を蓄えていた。
最近、最も高い建物が重力によってグリーンエネルギーの貯蔵庫に変わる可能性があると報じられた。
耐火レンガの潜在的な選択肢
耐火レンガに似た別の材料として、歴史的に様々な用途に使用されてきた耐火材料がある。
- 青銅器時代初期（紀元前4,000～3,000年）に原始的な窯の内張りとして使用されました。
- 鉄器時代（紀元前1,500-500年）に製鉄炉を作るために使用されました。
- 1600 年代初頭から、溶融ガラス用のるつぼに使用されていました。
- 1850 年代半ばから製鉄炉で使用。
耐火レンガは、アルミナとシリカを多く含んでいます。また、マグネシア（MgO）、酸化カルシウム（CaO）、酸化鉄（Fe2O3）も微量に含まれています。1800年代のチリでは、銅製錬所の内張りに使われていました。しかし、今日では、こうした低コストの耐火レンガには、クロミアやムライト（ケイ酸アルミニウム鉱物）も使用されています。さらに、耐火レンガの混合物には、ジルコニア（ZrO2）、炭化ケイ素（SiC）、ジルコン（ZrSiO4）が含まれている場合もあります。
1. グラファイト（純粋な低品位固体炭素）
これはもう一つの有望な選択肢であり、2,400℃まで加熱することが可能です。しかし、この技術にはコスト効率を維持する上で様々な課題があります。主な課題は、グラファイトの蒸発速度が遅いこと、そして放射加熱を用いるため熱伝達能力が限られていることです。多くの用途では、追加の熱伝達が必要となる場合があるためです。
耐火レンガの温度は、加熱される材料の温度とは異なります。材料の温度は、他の耐火レンガや材料の比重や比熱、そして両者間の熱損失によって決まるからです。
例えば、黒鉛耐火レンガが材料に1500℃の熱を供給しているとします。この場合、材料の特性と熱損失の両方を考慮して、黒鉛を1800～2000℃まで加熱する必要があります。
工業プロセスの熱研究のための耐火レンガに関する方法
149 か国における工業プロセス熱に対する耐火レンガの効果の研究には、以下に示す 3 種類のモデルが使用されています。
方法 1 スプレッドシート モデル
これは、現在の BAU 需要に基づいて、2050 年の通常業務 (BAU) および風力、水力、太陽光 (WWS) エネルギー需要を推定するために使用されます。また、2050 年の WWS 需要を満たすために WWS 発電機に必要な定格容量を計算するためにも使用されます。
方法2 地球規模の気象・気候・大気汚染
スプレッドシート モデルの結果は、地球規模の気象・気候・大気汚染モデルである GATOR-GCMOM に入力されます。このモデルは、太陽熱と波力発電の供給とともに、太陽光と風力発電の供給を予測します。また、数年間にわたって、建物の冷房と暖房の需要を 30 秒ごとに世界的に予測します。
スプレッドシート モデルでは、太陽、空気、風の温度の予測と、発電機の銘板容量からの入力が反映されます。
方法3 LOADMATCH
GATOR-GCMOM からの出力は LOADMATCH に送られます。これにより、需要と供給、貯蔵、需要への応答が複数年にわたって 30 秒ごとにマッチングされます。LOADMATCH シミュレーションは、3 年から 2050 年までの 2052 年間、30 秒の時間ステップで実行されます。
シミュレーションの比較 : 2 セットのシミュレーションを比較します。29 つは耐火レンガあり (耐火レンガ ケース)、もう 149 つは耐火レンガなし (基本ケース) です。LOADMATCH シミュレーションは、XNUMX か国をカバーする XNUMX の地域で実行されます。
観測
全29地域において、耐火レンガを使用したケースでは、基本ケースと同様にグリッドの安定性が確認されました。両手法（基本ケースと耐火レンガ使用ケース）の主な違いを以下の表に示します。耐火レンガは蓄電容量の必要量を削減し、観測された変動は以下のとおりです。
| パーセント差 = 100% × (a − b)/b | |
| バッテリー容量 | 14.5% |
| グリーン水素貯蔵燃料電池のサイズ | 3.9% |
| 水素タンクサイズ | 18.3% |
| 送電網に必要な水素生産 | 31.4% |
| 地中熱エネルギー最大放出率 | 1% |
| 地下熱エネルギー貯蔵能力 | 27.3% |
| 陸上風力発電の定格出力 | 1.2% |
| 洋上風力発電の定格出力 | 0.54% |
| ユーティリティPV銘板容量 | 0.54% |
| CSP銘板容量 | 0.84% |
全体として、耐火レンガを追加することで、最大放電速度と蓄熱容量は増加した。しかし、電気蓄熱と低温蓄熱に関しては、その効果は逆であった。簡単に言えば、耐火レンガを追加すると、すべての蓄熱タイプで最大放電速度は増加したが、最大蓄熱容量は減少した。
ある調査によると、日本の住宅の二酸化炭素排出量は38トンだという。これは興味深い。私の家の二酸化炭素排出量はどれくらいなんだろう！
耐火レンガによるコスト削減
評価対象となった全149か国において、耐火レンガを用いた場合、ベースケースに比べて必要な蓄電池容量は14.5%少なく（37.7TWhではなく32.2TWh）、エネルギーコストが低減する主な理由は、蓄電池に比べて耐火レンガを用いた場合のコストが大幅に削減される点にある。
下の図は、耐火レンガによる電力・低温蓄熱・発電機の容量削減によるメリットを示しています。また、149か国のWWSへの移行資本コストは、58.24～56.97兆ドル（2020年米ドル）から1.27兆ドル（2.2％）に削減されます。
しかし、カナダとアイスランドを除くすべての地域で資本コストの減少が見られました。これは、これらの地域ではすでに水力発電と風力発電の資源が豊富にあり、定期的に供給されているため、耐火レンガ方式を必要としないからです（ただし、プロセス中に耐火レンガは設置されました）。
さらに、 減少した に選出しました。 均等化エネルギー原価 (LCOE) によって 0.15か国で1.7セント/kWh（119％）、年間エネルギーコストが1.78億ドル/年（149％）増加.
グリッド水素、地下熱エネルギー貯蔵、バッテリー、発電コストなど、グリッド関連コストを削減することで、LCOE コストの削減が可能になりました。
一方、耐火レンガの蓄電容量は0TWhから32.1TWhに増加します。耐火レンガの蓄電容量は、削減されたバッテリーの蓄電容量の5.8倍ですが、1kWhあたりのコストはバッテリーの10分の1です。これは、バッテリーを耐火レンガに置き換えることでコストが削減されることを明確に示しています。
年間平均最終用途需要 BAU および WWS 2050
2050年の推定エネルギー需要に基づくと、耐火レンガは耐火レンガとベースケース間の年間エネルギーコストの差を縮小する傾向があります。耐火レンガと組み合わせた低い設備投資コストは、 149か国のエネルギーコスト回収期間の差が拡大する5.9年から5.7年へと3.2%減少することに貢献します。これは、WWSへの100%移行の場合です。
さらに、東南アジアとニュージーランドの2つの地域では、投資回収期間が1年以上短縮されます。耐火レンガを使用することで、発電機に必要な土地も削減されます。149か国で確認された差は、2,700 km2 (0.43%) の削減でした。
耐火レンガの唯一の欠点 工業用加熱プロセス
数多くの利点がある一方で、ここで指摘されている唯一の欠点は、それによって創出される雇用機会の数が少ないことです。耐火レンガの場合、電力と低温熱貯蔵容量の削減、および必要な発電機の定格容量の削減により、基本ケースと比較して約0.51%（118,000）少ない雇用が創出されたと推定されています。
電池や耐火レンガを使わずに太陽エネルギーを蓄える方法を探ってみましょう！
ケーススタディ: 工業プロセス熱用耐火レンガ
2019年に発表されたダニエル・C・スタックらによる研究報告書では、耐火レンガを用いた抵抗加熱式蓄熱システムの性能について言及されている。研究チームは耐火レンガを用いたコンピュータシミュレーションを行い、約1000～1700℃の高温で蓄電した。
彼らは耐火レンガを特定かつ保護されたパターンで配置しました。熱が必要なときは、レンガを冷たい空気の流れに移動させ、工業用作業に使用したり、蒸気タービンを使用して発電に使用したりしました。これにより、研究者は数時間で耐火レンガを充電および放電できると結論付けました。また、100日あたり数百から数千メガワット時の容量のシステムを使用できることも示唆しました。
電気を熱エネルギーに変換するために、金属合金とセラミックの電気抵抗ヒーターが使用されました。ヒーターにはレンガ（マグネシア、炭化ケイ素、またはアルミナ）が接続されていました。
観察結果：
シリコンカーバイドとモリブデンジシリサイドのヒーターは最高温度に達しました。しかし、レンガ配列の中心に熱を均等に分散させることは困難でした。
これらのヒーターは 1100° C までの温度には適していますが、温度が 1500° C に達してそれを超えると劣化し始めます。これは主に、外側の保護コーティングが酸素拡散に弱まるために起こります。
提案
耐火レンガを加熱するために、研究者たちは直接抵抗加熱（DRH）を用いることを提案した。電気伝導性のある耐火レンガは電流で加熱され、温度は1800℃まで上昇する。これらの耐火レンガは、マグネシウムまたはニッケル酸化物を添加したクロミア（導電性金属酸化物）を含んでおり、高温に達することができる。
DRHの利点
- 耐火レンガ自体が発熱体であるため、発熱体と耐火レンガの間で温度低下がなく、DRH が有利であることが証明されています。
- また、DRH は電流、周波数、電圧の影響を受けません。
- 高価なパワーエレクトロニクスは必要ありません。
- 太陽光発電アレイへの直接接続に適しています。
研究者らは、250 年に外部加熱を備えた 2018 MWh アルミナ耐火レンガ システムの価格は、約 10.75 ドル/kWh 蓄熱であると推定しました。これには次の比率が含まれます。
- 断熱材（1.6％）
- 格納容器（7.2％）
- 耐火レンガ（18.4％）
- トランスフォーマー（52.2％）
- ブロワー（11.9%）
- 金属ヒーター線（8.7%）
そもそも、耐火レンガの価格は 2.12kWh あたり約 1.87 ドルでしたが、酸化マグネシウムは 7.18kWh あたり 250 ドルでコスト効率が良く、炭化ケイ素は約 500 ドルでした。しかし、比較すると、バッテリーのコストは 10kWh あたり XNUMX ～ XNUMX ドルで、XNUMXkWh あたりの蓄熱コストの約 XNUMX 倍です。
ケーススタディ
2021
2021年のデータによると、20.6か国の最終用途部門における総需要電力のうち、電力が占める割合はわずか149%でした。残りは、潮力または波力エネルギーが0.0043%、地熱が0.33%、太陽光が3.63%、風力が6.54%、水力が15.5%でした。
2021年から2022年にかけて、約47か国が需要電力の50％以上をWWSで発電し、99.8か国が100～XNUMX％の電力をWWSで発電しました。
これまで水力発電が WWS 発電の主流でしたが、太陽光と風力発電が市場を占めています。世界の電力の大部分が WWS によって生成される場合、その約 90% が WWS によって生成されることになります。
2022
2022年の世界の二酸化炭素排出量の約17％は、産業用熱燃焼によるものでした。また、8.38％は、鉄鋼、セメント、その他の製品の製造段階における化学反応によるものでした。
結論
これにより、研究者は、149 か国における工業プロセス熱に対する耐火レンガの効果は良好であり、工業プロセス熱を蓄え、クリーン エネルギーに移行するための有用なツールであると結論付けました。耐火レンガは工業プロセス用の高温の熱を蓄え、再生可能エネルギーのコストを削減できます。5 日の熱損失率など、そのパフォーマンスについては不確実な点がいくつかあります。しかし、XNUMX 日の熱損失率が XNUMX% であっても、耐火レンガは依然として費用対効果の高い選択肢です。
耐火レンガは産業排出物には対応していませんが、熱生産による排出物は大幅に削減できます。したがって、持続可能な潜在的な解決策を促進するには、気候変動、エネルギー安全保障、大気汚染に対処するための政策とインセンティブが必要です。
出典：サプリメント情報
