Het is belangrijk om het feit aan te pakken dat we manieren moeten vinden om warmte te produceren zonder emissies. Wind- en zonnetechnologieën zijn nuttig, maar hun output varieert afhankelijk van hun beschikbaarheid en ze hebben externe opslagsystemen nodig. Onlangs ontdekten onderzoekers echter een duurzaam alternatief voor hetzelfde, vuurvaste stenen. Onderzoekers ontdekten de positieve effecten van vuurvaste stenen voor industriële proceswarmte in 149 landen.
Ja, ze hebben het hoofdprobleem van het opslaan van energie opgelost tegen een kostprijs die minder dan 1/10e van de kosten van de batterijen bedraagt. Na het uitvoeren van computersimulaties in 149 landen, bleken vuurvaste stenen een opmerkelijk hulpmiddel te zijn voor het verlagen van de transitiekosten voor hernieuwbare energie.
Effecten van vuurvaste stenen op industriële proceswarmte in 149 landen
Doel van het onderzoek:Het analyseren van de impact van het gebruik van vuurvaste stenen voor het opslaan van industriële proceswarmte op de energiekosten en de stabiliteit van elektriciteitsnetten in 149 landen.
Om de doelstellingen voor 2050 te behalen, streven landen ernaar om warmte en elektriciteit voor 100% op te wekken met WWS-bronnen (wind, water, zon).
Processen die in de studie worden toegepast
Onderzoekers hebben gebruikte elektrische weerstandsverwarming om elektriciteit te gebruiken om de vuurvaste stenen te verwarmen. Deze warmte blijft opgeslagen totdat het nodig is voor industriële processen. De waargenomen resultaten worden vergeleken met simulaties zonder vuurvaste stenen.
De overgang naar schone energiebronnen moet aan alle vier de doelen voldoen. Elektrificatie moet in alle energiesectoren plaatsvinden, inclusief residentieel, commercieel, industrieel en andere. Zonne-energie en geothermische energie worden gebruikt om gebouwen en industrieën te verwarmen, daarom worden ze niet geëlektrificeerd. Om het huidige systeem te vervangen, Wind, water, zon (WWS) moeten worden gecombineerd met elektrische generatoren.
Warmte en Industrieën: Temperatuur Vereist
Industrieën hebben voor verschillende processen verschillende temperaturen en hoeveelheden warmte nodig.
- Gewone cement- en kalkproductie – 1,300–1,800° C
- Gesmolten silica, glas, traditioneel ijzer en staalproductie – 1,000–1,500° C
- Productie van anorganische mineralen – 150–500° C
- Alcohol- en basischemische productie – 100–300° C
- Papier-, karton- en pulpfabrieken – <100° C
Het IEA rekent elektriciteit uit het net echter niet tot de industriële processen. Bij stoomturbines is echter een temperatuur van >200° C nodig en bij thermofotovoltaïsche cellen heeft deze sector ongeveer 1,000–2,000° C nodig.
Over het algemeen worden grote hoeveelheden warmte geproduceerd door continue verbranding van steenkool, fossiele brandstof, olie of biomassa. Het omvat ook het laten draaien van elektrische weerstandsovens en boilers die elektrische boog, elektronenbundels en elektrische inductie zijn, maar het gebruikt ook diëlektrische verwarmers en elektrische warmtepompen.
In plaats van dure BS en GHS om elektriciteit op te slaan voor continue industriële proceswarmte van lage tot hoge temperatuur, wordt de voorkeur gegeven aan variabele WWS-elektriciteit. Dit kan worden gebruikt als en wanneer beschikbaar voor warmte opslaan in vuurvaste stenen.
De opgeslagen elektriciteit kan worden omgezet in warmte door vuurvaste stenen aan te sluiten op metalen elektrische weerstandsverwarmers of door directe weerstandsverwarming (DRH) van vuurvaste stenen. Warmteopslag van vuurvaste stenen worden omgeven door een ander type vuurvaste steen die meer isoleert en dan een laag staal om verder warmteverlies te verminderen. Of er zit een dikke stalen container om de stenen heen.
Kenmerken van warmteopslag vuurvaste stenen
- Vuurvaste stenen kunnen effectief worden gebruikt als ze in een patroon worden geplaatst waardoor lucht door de kanalen kan stromen.
- Vuurvaste stenen zijn kosteneffectief omdat er geen warmtewisselaar nodig is en ze kunnen worden gemaakt van goedkope warmteopslagmaterialen.
- Ze hebben een specifieke warmte en dichtheid en kunnen daardoor veel energie absorberen met een kleine temperatuurstijging.
- Ze hebben een hoog smeltpunt.
De verwerkte warmte wordt uit de vuurvaste stenen gehaald wanneer dat nodig is een van de volgende methoden.
- Dit gebeurt door omgevingslucht of gerecyclede lage-tot-hoge-temperatuurlucht door kanalen in de stenen te leiden. Door directe infraroodstraling van gloeiendhete stenen.
- Vergelijkbaar met vuurvaste stenen hebben deze ook goede isolerende eigenschappen en hoge smeltpunten. Een hoog smeltpunt zorgt ervoor dat ze bestand zijn tegen hoge temperaturen en voorkomt snel warmteverlies.
Vereisten voor ideale warmteopslag van vuurvaste stenen
Als ze voor isolatie worden gebruikt, moeten vuurvaste stenen bestand zijn tegen hoge temperaturen, maar met een lage thermische geleidbaarheid. silica heeft een lage thermische geleidbaarheid (0.3 W/mK), Het wordt over het algemeen gebruikt in vuurvaste isolatiestenen.
Alumina-silicaat wordt ook gebruikt in gangbare soorten isolerende vuurvaste stenen (meestal alumina en zand). Het zit ook in calciumsilicaatstenen (bij voorkeur zand en kalksteen).
Toepassingen van vuurvaste stenen
Mensen gebruiken al lange tijd vuurvaste stenen voor warmteopslag in warmteregeneratoren om glas te maken en staal.
Wat zijn regeneratoren?
Dit zijn warmtewisselaars die warmte ontvangen van een rookgas met hoge temperatuur. Ze slaan de warmte vervolgens 20-30 minuten op en gebruiken deze warmte vervolgens om de lucht voor te verwarmen voor verbranding.
Snel feit – China was 10 MW warmte opslaan in vuurvaste stenen voor commerciële complexen en stadsverwarmingsprojecten vóór 2018.
Onlangs werd gemeld dat hoogste gebouwen kunnen met zwaartekracht veranderen in opslagplaatsen voor groene energie.
Mogelijke opties voor vuurvaste stenen
Een ander materiaal dat vergelijkbaar is met vuurvaste stenen is vuurvaste materialen die historisch gezien voor verschillende doeleinden werden gebruikt.
- In de vroege Bronstijd (4,000-3,000 v.Chr.) werden primitieve ovens bekleed.
- Tijdens de ijzertijd (1,500-500 v.Chr.) werden er ovens voor de ijzerproductie gemaakt.
- Sinds het begin van de 1600e eeuw in smeltkroezen voor gesmolten glas.
- Sinds het midden van de jaren 1850 in staalfabrieken.
Vuurvaste stenen bevatten hoge percentages van alumina en silica. Het bevat ook sporen van magnesia (MgO), calciumoxide (CaO) en ijzeroxide (Fe2O3). In Chili werden deze in 1800 gebruikt om kopersmelterijen te bekleden. Tegenwoordig worden deze goedkope opties echter ook gemaakt met chroomoxide of/en mulliet (aluminiumsilicaatmineraal). Maar vuurvaste stenenmengsels kunnen ook zirkonia (ZrO2), siliciumcarbide (SIC) en zirkoon (ZrSiO4) bevatten.
1. Grafiet (zuivere koolstof van lage kwaliteit)
Het is een andere mogelijke optie en kan worden verwarmd tot 2,400° C. Deze technologie kent echter verschillende uitdagingen om ze kosteneffectief te houden. De grootste uitdaging is de langzame verdamping van grafiet, dan heeft het een beperkte warmteoverdrachtscapaciteit omdat het stralingsverwarming gebruikt, omdat het voor veel toepassingen extra warmteoverdracht kan vereisen.
De temperatuur van vuurvaste stenen is niet hetzelfde als de temperatuur van het verhitte materiaal. De temperatuur van materialen hangt af van de soortelijke massa en de warmte van andere vuurvaste stenen en materialen, samen met het warmteverlies tussen de twee.
Bij voorbeeld: Stel dat grafiet vuurvaste stenen 1500° C warmte aan een materiaal leveren. Hier moet het grafiet worden verhit tot 1800-2000° C voor zowel de eigenschappen als het warmteverlies van de materialen.
Methoden die betrokken zijn bij vuurvaste stenen voor industriële proceswarmtestudie
Het onderzoek naar de effecten van vuurvaste stenen op industriële proceswarmte in 149 landen omvat 3 soorten modellen, zoals hieronder vermeld.
Methode #1 Spreadsheetmodel
Het wordt gebruikt om de Business as Usual (BAU) en wind-, water- en zonne-energievraag (WWS) in 2050 te schatten op basis van de huidige BAU-vraag. Het wordt ook gebruikt om de benodigde naamplaatcapaciteiten voor WWS-generatoren te berekenen om aan de WWS-vraag van 2050 te voldoen.
Methode #2 wereldwijde weer-klimaat-luchtvervuiling
Resultaten van het spreadsheetmodel worden ingevoerd in GATOR-GCMOM, een wereldwijd weer-klimaat-luchtvervuilingsmodel. Dit model voorspelt de levering van zonne- en windenergie, samen met de levering van zonnewarmte en golfenergie. Het voorspelt ook de wereldwijde behoefte aan koeling en verwarming van gebouwen, elke 30 seconden, gedurende meerdere jaren.
Deze voorspellingen voor de temperaturen van de zon, de lucht en de wind worden samen met de invoer van de generatorcapaciteit in het spreadsheetmodel weergegeven.
Methode #3 LOADMATCH
De output van GATOR-GCMOM wordt in LOADMATCH gevoerd. Dit matcht vraag met aanbod, opslag en respons op vraag voor elke 30 seconden gedurende meerdere jaren. LOADMATCH-simulaties worden 3 jaar lang uitgevoerd, van 2050 tot 2052 met een tijdstap van 30 seconden.
Vergelijking van simulaties : Er worden 2 sets simulaties vergeleken: één met vuurvaste stenen (vuurvaste stenen geval) en de andere zonder vuurvaste stenen (basisgeval). LOADMATCH-simulaties worden uitgevoerd in 29 regio's in 149 landen.
Waarnemingen
In alle 29 regio's, Er werd een roosterstabiliteit waargenomen in het geval van vuurvaste stenen, vergelijkbaar met het basisgeval. Enkele van de belangrijkste verschillen tussen beide methoden (basis en vuurvaste steen) worden in de onderstaande tabel genoemd. De vuurvaste stenen verminderden de opslagcapaciteitsvereisten, en de waargenomen variaties zijn als volgt:
| Parameter | Procentueel verschil = 100% × (a − b)/b |
| Opslagcapaciteit batterij | 14.5% |
| Grootte van groene waterstofopslagbrandstofcel | 3.9% |
| Waterstoftank grootte | 18.3% |
| Waterstofproductie nodig voor elektriciteitsnet | 31.4% |
| Maximale ontladingssnelheid van ondergrondse thermische energie | 1% |
| Ondergrondse thermische energieopslagcapaciteit | 27.3% |
| Nominale capaciteit voor onshore windenergie | 1.2% |
| Naamplaatcapaciteit offshore windenergie | 0.54% |
| Naamplaatcapaciteit van nutsbedrijf-PV | 0.54% |
| CSP-naamplaatcapaciteit | 0.84% |
Kruisverwijzing – Aanvullend materiaal: Effecten van vuurvaste stenen op industriële proceswarmte
Kortom, maximale afvoersnelheden en opslagcapaciteiten verhoogd door toevoeging van vuurvaste stenen. Maar bij elektrische opslag en lagetemperatuurwarmteopslag was het effect juist het tegenovergestelde. Simpel gezegd: door vuurvaste stenen toe te voegen werd de maximale ontladingssnelheid voor alle opslagtypen verhoogd, maar de maximale capaciteit ervan verlaagd.
Uit een onderzoek blijkt dat de CO38-voetafdruk van een huis in Japan XNUMX ton bedraagt, wat interessant is. Ik vraag me af wat de CO2-voetafdruk van mijn huis is!
Kostenreductie met vuurvaste stenen
In alle 149 beoordeelde landen was de vuurvaste stenen behuizing nodig 14.5% minder (32.2 TWh in plaats van 37.7 TWh) batterijopslagcapaciteit dan het basisgeval. De aanzienlijke verlaging van de kosten van vuurvaste stenen opslag in vergelijking met batterijopslag is de belangrijkste reden voor lagere energiekosten in het vuurvaste stenen geval.
De onderstaande afbeelding geeft de voordelen aan van het verminderen van de capaciteiten van elektriciteit en lagetemperatuurwarmteopslag en generatoren met vuurvaste stenen. Het verlaagt ook de transitiekapitaalkosten van 149 landen naar WWS van $ 58.24 tot $ 56.97 biljoen (2020 USD) tot $ 1.27 biljoen (2.2%).
Echter, een daling van de kapitaalkosten werd waargenomen in alle regio's, behalve Canada en IJsland. Dit komt omdat ze al een overvloedige en regelmatige aanvoer van waterkracht en windenergiebronnen hebben en geen vuurvaste stenen-aanpak nodig hebben (maar het werd nog steeds geïnstalleerd tijdens het proces).
Bovendien, er was een afname in de Gelijkmatige kosten van energie (LCOE) door 0.15 ¢/kWh (1.7%) en de jaarlijkse energiekosten met $ 119 miljard/jaar (1.78%) in 149 landen.
Lagere LCOE-kosten waren mogelijk door de kosten gerelateerd aan het net te verlagen: kosten voor waterstof uit het net, ondergrondse thermische energieopslag, batterijen en elektriciteitsopwekking.
Daarnaast is De opslagcapaciteit van vuurvaste stenen stijgt van 0 TWh naar 32.1 TWh. Hoewel de opslagcapaciteit van vuurvaste stenen 5.8 keer groter is dan de gereduceerde batterijopslagcapaciteit, zijn de kosten per kWh 1/10e van de batterijopslag. Het geeft duidelijk aan dat het vervangen van batterijen door vuurvaste stenen de kosten zal verlagen.
Jaarlijkse gemiddelde eindgebruiksvraag BAU en WWS 2050
Volgens de geschatte energievraag in 2050, vuurvaste stenen hebben de neiging om te stijgen de lagere jaarlijkse energiekostenverschillen tussen vuurvaste stenen en basisgevallen. Lagere kapitaalkosten in combinatie met vuurvaste stenen dragen bij aan een daling van 3.2%, wat neerkomt op een daling van 5.9 naar 5.7 jaar. grotere verschillen laten zien in 149 landen energiekosten terugverdientijd. Dit is het geval wanneer er een 100% overgang naar WWS is.
Bovendien zijn er in 2 regio's, Zuidoost-Azië en Nieuw-Zeeland: de terugverdientijd neemt met meer dan een jaar af. Het gebruik van vuurvaste stenen vermindert ook de hoeveelheid land die nodig is voor elektriciteitsgeneratoren. Het opgemerkte verschil was een reductie van 2,700 km2 (0.43%) in 149 landen.
Het enige nadeel van vuurvaste stenen in industriële verwarmingsprocessen
Er zijn zoveel voordelen, maar het enige nadeel dat hier genoemd wordt, is het lage aantal banen dat ermee gecreëerd wordt. Geschat wordt dat er ongeveer 0.51% (118,000) minder banen zijn gecreëerd omdat er verminderingen waren in de elektriciteits- en lagetemperatuurwarmteopslagcapaciteit, samen met de benodigde generatorcapaciteiten in vuurvaste stenen versus basisgevallen.
Hoe u zonne-energie kunt opslaan zonder batterijen en vuurvaste stenen, laten we dat eens ontdekken!
Casestudies: Vuurvaste stenen voor industriële proceswarmte
A rapport gepubliceerd in 2019 onderzocht door Daniel C. Stack et al. vermeldt de prestaties van vuurvaste stenen weerstand-verwarmde energieopslag. Het team voerde computersimulaties uit met vuurvaste stenen en opgeslagen elektriciteit bij hoge temperatuurwarmte van ongeveer 1000-1700° C.
Ze rangschikten vuurstenen in een specifiek en beschermd patroon. Wanneer warmte nodig was, werden stenen verplaatst naar een koude luchtstroom en vervolgens gebruikt voor industriële activiteiten of om elektriciteit te produceren met behulp van een stoomturbine. Hierdoor concludeerden onderzoekers dat ze binnen enkele uren de vuurstenen konden opladen en ontladen. Ze suggereerden ook dat systemen met een capaciteit van 100s tot 1000s megawattuur dagelijks gebruikt kunnen worden.
Metaallegering en keramische elektrische weerstandsverwarmers werden gebruikt om elektriciteit om te zetten in warmte-energie. Ze verbonden stenen (magnesiumoxide, siliciumcarbide of aluminiumoxide) met de verwarmers.
Waarnemingen:
Siliciumcarbide- en molybdeendisilicideverwarmers bereikten de hoogste temperaturen. Maar een gelijkmatige warmteverdeling naar het midden van de brick array was voor hen moeilijk.
Voor temperaturen tot 1100° C zijn deze verwarmers geschikt, maar zodra de temperatuur 1500° C bereikt en deze overschrijdt, beginnen ze te verslechteren. Dit gebeurt voornamelijk omdat hun buitenste beschermende coating plaatsmaakt voor zuurstofdiffusie.
suggesties
Om vuurvaste stenen te verwarmen, stelden onderzoekers voor met behulp van directe weerstandsverwarming (DRH)). Elektrisch geleidende vuurstenen worden verhit met elektrische stroom en hun temperatuur stijgt tot 1800° C. Deze vuurstenen bevatten chroomoxide (een geleidend metaaloxide) gedoteerd met magnesium- of nikkeloxide, waardoor ze hoge temperaturen kunnen bereiken.
Voordelen van DRH
- Omdat vuurvaste stenen zelf ook verwarmingselementen zijn, is DRH een voordeel omdat er geen temperatuurdaling optreedt tussen het verwarmen van het element en de vuurvaste stenen.
- Bovendien wordt DRH niet beïnvloed door stroom, frequentie of spanning.
- Er is geen dure vermogenselektronica nodig.
- Geschikt voor directe aansluiting op een fotovoltaïsch paneel.
Onderzoekers schatten dat de prijs van een 250-MWh alumina firebrick-systeem met externe verwarming in 2018 ongeveer $ 10.75/kWh-thermische-opslag was. Dit omvat de volgende verhoudingen:
- Isolatie (1.6%)
- Insluitingsvat (7.2%)
- Vuurvaste stenen (18.4%)
- Transformator (52.2%)
- Blaasmachine (11.9%)
- Metalen verwarmingsdraad (8.7%)
Om te beginnen was de prijs van vuurvaste stenen ongeveer $ 2.12/kWh, maar magnesiumoxide zou kosteneffectief zijn geweest met $ 1.87/kWh en siliciumcarbide kostte ongeveer $ 7.18/kWh. Maar ter vergelijking, de kosten van batterijen waren $ 250-$ 500/kWh, wat ongeveer 10 keer meer is dan de kosten van thermische opslag per kWh.
Casestudies
2021
Volgens gegevens uit 2021 was elektriciteit goed voor slechts 20.6% van de totale gevraagde energie in de eindgebruiksectoren van 149 landen. De overige bijdragen kwamen van getijden- of golfenergie 0.0043%, geothermische energie 0.33%, zonne-energie 3.63%, windenergie 6.54% en waterkracht 15.5%.
In 2021-2022 genereerden ongeveer 47 landen meer dan 50% van de gevraagde elektriciteit met WWS en zeven landen genereerden 99.8-100% elektriciteit met WWS.
Tot nu toe domineerde waterkracht de WWS-opwekking, maar zonne- en windenergie nemen de markt over. Als het grootste deel van de elektriciteit in de wereld door WWS wordt opgewekt, zou ongeveer 90% ervan door WWS worden opgewekt.
2022
Ongeveer 17% van wereldwijde CO2-uitstoot in 2022 waren afkomstig van industriële warmteverbranding. Ook was 8.38% afkomstig van chemische reacties tijdens de productiefase van staal, cement en andere producten.
Conclusie
Hiermee concludeerden onderzoekers dat de effecten van vuurvaste stenen voor industriële proceswarmte in 149 landen positief zijn en dat ze een nuttig hulpmiddel zijn voor het opslaan van industriële proceswarmte en de overgang naar schone energie. Vuurvaste stenen kunnen hoge temperaturen van warmte opslaan voor industriële processen en de kosten van hernieuwbare energie verlagen. Er zijn enkele onzekerheden over hun prestaties, zoals het dagelijkse warmteverlies. Maar zelfs met een dagelijks warmteverlies van 5% zijn vuurvaste stenen nog steeds een kosteneffectieve optie.
Hoewel vuurvaste stenen geen industriële emissies aanpakken, kunnen hun emissies door warmteproductie in grote mate worden verminderd. Daarom zijn beleid en prikkels nodig om klimaatverandering, energiezekerheid en luchtvervuiling aan te pakken om duurzame potentiële oplossingen te promoten.
Bron : Effecten van vuurvaste stenen op industriële proceswarmte
Bron: Aanvullende informatie
