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 de studie : Het analyseren van de impact van het gebruik van vuurvaste stenen voor de opslag 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 elektrische weerstandsverwarming gebruikt om de vuurvaste stenen te verwarmen . Deze warmte wordt opgeslagen totdat deze 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 woningen, commerciële gebouwen, de industrie en andere sectoren. Zonne- en geothermische energie zullen worden gebruikt voor de verwarming van gebouwen en industrieën, en daarom zullen deze niet geëlektrificeerd worden. Om het huidige systeem te vervangen, moeten wind-, water- en zonne-energie (WWS) gecombineerd worden met elektriciteitsgeneratoren.
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-systemen voor de opslag van elektriciteit voor continue industriële proceswarmte bij lage tot hoge temperaturen, heeft het de voorkeur om variabele WWS-elektriciteit te gebruiken. Deze kan, wanneer beschikbaar, worden gebruikt om warmte op te slaan 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 de vuurvaste stenen. Warmteopslag met vuurvaste stenen wordt omgeven door een ander type vuurvaste steen dat beter isoleert, en vervolgens door een laag staal om verder warmteverlies te beperken. Of er is een dikke stalen container die de stenen omringt.
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 vrijgekomen warmte wordt, indien nodig, op een van de volgende manieren aan de vuurvaste stenen onttrokken.
- 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
Vuurvaste stenen moeten, indien ze voor isolatiedoeleinden worden gebruikt, bestand zijn tegen hoge temperaturen, maar een lage warmtegeleidingscoëfficiënt hebben. Omdat silica een lage warmtegeleidingscoëfficiënt heeft (0.3 W/mK), wordt het over het algemeen gebruikt in isolerende vuurvaste stenen.
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
Al lange tijd gebruiken mensen vuurvaste stenen voor warmteopslag in warmteregeneratoren om glas en staal te maken.
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.
Interessant feitje : China sloeg vóór 2018 al 10 MW aan warmte op in vuurvaste stenen voor commerciële complexen en stadsverwarmingsprojecten.
Onlangs werd gemeld dat de hoogste gebouwen door middel van zwaartekracht kunnen veranderen in opslagplaatsen voor groene energie.
Mogelijke opties voor vuurvaste stenen
Een ander materiaal dat vergelijkbaar is met vuurvaste stenen, zijn vuurvaste materialen die in het verleden voor diverse 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 aluminiumoxide en siliciumdioxide. Ze bevatten ook sporen van magnesiumoxide (MgO), calciumoxide (CaO) en ijzeroxide (Fe2O3). In Chili werden ze rond 1800 gebruikt om kopersmelterijen te bekleden. Tegenwoordig worden deze goedkope opties echter ook gemaakt met chroomoxide en/of mulliet (een aluminiumsilicaatmineraal). Vuurvaste steenmengsels kunnen bovendien zirkoniumoxide (ZrO2), siliciumcarbide (SiC) en zirkoon (ZrSiO4) bevatten.
1. Grafiet (zuivere koolstof van lage kwaliteit)
Het is een andere potentiële optie en kan tot 2,400 °C worden verhit . Deze technologie kent echter verschillende uitdagingen om de kosteneffectiviteit te waarborgen. De grootste uitdaging is de trage verdamping van grafiet, waardoor het warmteoverdrachtsvermogen beperkt is omdat het gebruikmaakt van stralingsverwarming. Voor veel toepassingen is daarom extra warmteoverdracht nodig.
De temperatuur van vuurvaste stenen is niet gelijk aan de temperatuur van het te verhitten materiaal. De temperatuur van materialen hangt namelijk af van de soortelijke massa en de warmte van andere vuurvaste stenen en materialen, evenals het warmteverlies tussen beide.
Bijvoorbeeld : Stel dat vuurvaste grafietstenen een materiaal verwarmen met een temperatuur van 1500 °C. In dit geval moet het grafiet worden verhit tot 1800-2000 °C om zowel de gewenste eigenschappen als het warmteverlies van het materiaal te behouden.
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 werd netstabiliteit waargenomen in het geval van vuurvaste stenen , vergelijkbaar met het basisgeval. Enkele belangrijke verschillen tussen beide methoden (basis en vuurvaste stenen) worden in de onderstaande tabel vermeld. De vuurvaste stenen verminderden de benodigde opslagcapaciteit , 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
Over het algemeen namen de maximale ontladingssnelheden en opslagcapaciteiten toe door het toevoegen van vuurvaste stenen . Bij elektrische opslag en lage-temperatuurwarmteopslag was het effect echter tegengesteld. Simpel gezegd: het toevoegen van vuurvaste stenen verhoogde de maximale ontladingssnelheid voor alle opslagtypen, maar verlaagde de maximale capaciteit.
Een studie toont aan dat de CO2-voetafdruk van een huis in Japan 38 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 had het scenario met vuurvaste stenen 14.5% minder batterijopslagcapaciteit nodig (32.2 TWh in plaats van 37.7 TWh) dan het basisscenario. De aanzienlijke kostenbesparing bij opslag met vuurvaste stenen ten opzichte van batterijopslag is de belangrijkste reden voor de lagere energiekosten in het scenario met vuurvaste stenen.
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.
Aan de andere kant neemt de opslagcapaciteit van vuurvaste stenen toe van 0 TWh tot 32.1 TWh . Hoewel de opslagcapaciteit van vuurvaste stenen 5.8 keer groter is dan de gereduceerde batterijopslagcapaciteit, zijn de kosten per kWh slechts een tiende van die van batterijopslag. Dit 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 energiebehoefte in 2050 leiden vuurvaste stenen tot een groter verschil in jaarlijkse energiekosten tussen vuurvaste stenen en de basissituatie. Lagere investeringskosten in combinatie met vuurvaste stenen dragen bij aan een daling van 3.2%, van 5.9 naar 5.7 jaar, wat grotere verschillen laat zien in de terugverdientijd van energiekosten in 149 landen . Dit geldt in het geval van een volledige overgang naar WWS (Water-Weighted Storage).
Bovendien daalt de terugverdientijd in twee regio's, Zuidoost-Azië en Nieuw-Zeeland, met meer dan een jaar . Het gebruik van vuurvaste stenen vermindert ook de benodigde grond voor elektriciteitsgeneratoren. Het verschil dat werd geconstateerd, was een vermindering van 2,700 km² (0.43%) in 149 landen.
Het enige nadeel van vuurvaste stenen in industriële verwarmingsprocessen
Gezien de vele voordelen is het enige nadeel dat hier genoemd wordt het lage aantal gecreëerde banen. Naar schatting werden er zo'n 0.51% (118,000) minder banen gecreëerd, omdat er sprake was van een vermindering van de elektriciteits- en warmteopslagcapaciteit, evenals van het benodigde nominale vermogen van de generatoren in de vuurvaste bakstenen configuratie vergeleken met de basisconfiguratie.
Hoe sla je zonne-energie op zonder batterijen en vuurvaste stenen? Laten we het ontdekken!
Casestudies: Vuurvaste stenen voor industriële proceswarmte
In een rapport uit 2019, gebaseerd op onderzoek van Daniel C. Stack et al., wordt de prestatie van energieopslag met vuurvaste stenen beschreven. Het team voerde computersimulaties uit met vuurvaste stenen en sloeg elektriciteit op bij hoge temperaturen 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 verhitten, stelden onderzoekers voor om gebruik te maken van directe weerstandsverwarming (DRH ). Elektrisch geleidende vuurvaste stenen worden verwarmd met elektrische stroom, waardoor hun temperatuur oploopt tot 1800 °C. Deze vuurvaste stenen 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 de wereldwijde CO2-uitstoot in 2022 was afkomstig van industriële warmteverbranding. Daarnaast kwam 8.38% van de uitstoot door chemische reacties tijdens de productie 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
