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
研究の目的149 か国における工業プロセス熱の貯蔵のための耐火レンガの使用がエネルギーコストと電力網の安定性に与える影響を分析します。
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
研究者たちは持っている 耐火レンガを加熱するために電気抵抗加熱を電気に使用したこの熱は工業プロセスで必要になるまで蓄えられます。観測された結果は耐火レンガがない場合のシミュレーションと比較されます。
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、工業など、すべてのエネルギー部門で電化を行う必要があります。太陽熱と地熱は建物や産業の暖房に使用されるため、電化は行われません。現在のシステムを置き換えるには、 風力、水力、太陽光（WWS）は発電機と組み合わせる必要がある.
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。
低温から高温までの工業プロセス熱を継続的に供給するために、高コストのBSとGHSを使用して電力を蓄える代わりに、可変のWWS電力を使用することをお勧めします。これは、利用可能なときに使用できます。 耐火レンガに熱を蓄える.
蓄えられた電気は、耐火レンガを金属電気抵抗ヒーターに接続するか、耐火レンガを直接抵抗加熱（DRH）することで熱に変換できます。 耐火レンガ蓄熱 より断熱性の高い別のタイプの耐火レンガで囲まれ、さらに熱損失を抑えるために鋼鉄の層が重ねられています。または、レンガの周囲に厚い鋼鉄の容器が置かれています。
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、必要に応じて耐火レンガから取り出されます。 次のいずれかの方法.
- 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られるが熱伝導率は低くなければなりません。 シリカは熱伝導率が低い（0.3 W/mK）、 一般的には耐火レンガの断熱材として使用されます。
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
人類は長い間、耐火レンガを蓄熱材として利用してきました。 ガラス製造用の熱再生装置 と鋼。
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。
クイックファクト – 中国は 耐火レンガに10MWの熱を蓄える 2018年以前の商業施設および地域暖房プロジェクト向け。
最近、 最も高いビルは重力を利用してグリーンエネルギーの貯蔵庫になる可能性がある.
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は 耐火材料 歴史的にさまざまな目的で使用されていました。
- 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。
耐火れんが 含む 高いパーセンテージ アルミナとシリカの混合物です。微量のマグネシア (MgO)、酸化カルシウム (CaO)、酸化鉄 (Fe2O3) も含まれています。1800 年代のチリでは、銅精錬所の内張りに使用されていました。しかし、今日では、これらの低コストの選択肢は、クロミアやムライト (アルミニウムケイ酸塩鉱物) で作られています。ただし、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) も含まれる場合があります。
1. グラファイト（純粋な低品位固体炭素）
これは別の潜在的な選択肢であり、 2,400℃まで加熱可能ただし、この技術にはコスト効率を維持する上でさまざまな課題があります。主な課題は、グラファイトの蒸発が遅いことと、輻射加熱を使用す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になる場合があります。
耐火レンガの温度は加熱された材料の温度と同じではありません。 物質の温度は特定の質量と熱に依存する 他の耐火レンガや材料との熱損失と、両者の間の熱損失。
例えば、: グラファイト耐火レンガが材料に 1500°C の熱を供給していると仮定します。この場合、材料の特性と熱損失の両方のために、グラファイトを 1800～2000°C に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地域で、 耐火レンガの場合、グリッドの安定性が観察された。、ベースケースと同様です。両方の方法（ベースと耐火レンガ）の主な違いのいくつかを以下の表に示します。 耐火レンガは貯蔵容量要件を減少させた観察された変動は次のとおりです。
| 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% |
相互参照 – 補足資料：工業プロセス熱に対する耐火レンガの効果
全体的に見て、 耐火レンガを追加することで最大排出速度と貯蔵容量が増加しかし、電気貯蔵と低温熱貯蔵では、その効果は逆でした。簡単に言えば、耐火レンガを追加すると、すべての貯蔵タイプの最大放電率は増加しましたが、同じ最大容量は減少しました。
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耐火レンガによるコスト削減
評価対象となった149か国すべてにおいて、 耐火レンガケースは14.5%削減 耐火レンガ蓄電システムでは、ベースケースよりもバッテリー蓄電容量が 32.2 TWh から 37.7 TWh に増加します。バッテリー蓄電システムと比較して耐火レンガ蓄電システムのコストが大幅に削減されることが、耐火レンガ蓄電システムの場合のエネルギー コストが低くなる主な理由です。
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、 耐火レンガ貯蔵容量は0TWhから32.1TWhに増加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倍であるにもかかわらず、kWhあたりのコストはバッテリー蓄電の1分の10です。バッテリーを耐火レンガに置き換えるとコストが削減されることが明確に示されています。
年間平均最終用途需要 BAU および WWS 2050
2050年のエネルギー需要予測によると、 耐火レンガは増加する傾向がある 耐火レンガと基本ケースの間の年間エネルギーコストの差が低い。 耐火レンガと組み合わせた資本コストの低減により、3.2年から5.9年へと5.7%の短縮が実現しました。 より大きな差を示している 149カ国で エネルギーコストの回収期間。これは、WWS への 100% 移行がある場合です。
さらに、2つの地域では、 東南アジアとニュージーランドでは、回収期間が1年以上短縮される耐火レンガを使用すると、発電機に必要な土地も減ります。注目すべき違いは、 2,700か国で2 km0.43（149%）の減少.
耐火レンガの唯一の欠点 工業用加熱プロセス
非常に多くの利点がある中で、ここで指摘されている唯一の欠点は、これによって生み出される雇用機会の数が少ないことです。 推定で、雇用創出数は約0.51%（118,000人）減少した。 電力と低温蓄熱容量が減少し、発電機の定格容量も減少したため、 耐火レンガ vs 基本ケース.
バッテリーを使わずに太陽エネルギーを蓄える方法 そして耐火レンガ、調べてみましょう！
ケーススタディ: 工業プロセス熱用耐火レンガ
A 2019年に発行されたレポート ダニエル・C・スタックらが研究した耐火レンガの抵抗加熱エネルギー貯蔵の性能について言及している。研究チームは耐火レンガと 約1000～1700℃の高温熱で電気を蓄えます。
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。
観測:
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、研究者らは 直接抵抗加熱（DRH）を使用する導電性耐火レンガは電流で加熱され、温度が 1800°C まで上昇します。これらの耐火レンガには、マグネシウムまたはニッケル酸化物が添加されたクロミア (導電性金属酸化物) が含まれており、高温に達することができます。
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
の約17％ 2年の世界CO2022排出量 産業熱燃焼による排出が8.38%、鉄鋼、セメント等の製造段階における化学反応による排出がXNUMX%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。
ソース: 工業プロセス熱に対する耐火レンガの効果
出典： 補足情報
