Ważne jest, aby zająć się faktem, że musimy znaleźć sposoby na produkcję ciepła bez emisji. Technologie wiatrowe i słoneczne są przydatne, ale ich wydajność różni się w zależności od dostępności, a ponadto wymagają zewnętrznych systemów magazynowania. Jednak niedawno naukowcy odkryli zrównoważoną alternatywę dla tego samego, cegły ogniotrwałe. Naukowcy odkryli pozytywne efekty cegieł ogniotrwałych w zakresie ciepła procesowego w przemyśle w 149 krajach.
Tak, rozwiązali główny problem magazynowania energii przy koszcie mniejszym niż 1/10 kosztu baterii. Po przeprowadzeniu symulacji komputerowych w 149 krajach, cegły ogniotrwałe okazały się niezwykłym narzędziem do obniżania kosztów przejściowych dla energii odnawialnej.
Efekty stosowania cegieł ogniotrwałych w procesach przemysłowych w 149 krajach
Cel badania:Aby przeanalizować wpływ stosowania cegieł ogniotrwałych do magazynowania ciepła procesowego w przemyśle na koszt energii i stabilność sieci energetycznych w 149 krajach.
Aby zrealizować te cele do roku 2050, państwa zamierzają wytwarzać ciepło i energię elektryczną w 100% przy użyciu źródeł WWS (wiatr, woda, słońce).
Procesy przyjęte w badaniu
Naukowcy mają zastosowano ogrzewanie elektryczne oporowe do ogrzewania cegieł ogniotrwałych. Ciepło to będzie przechowywane do czasu, aż będzie potrzebne w procesach przemysłowych. Zaobserwowane wyniki porównano z symulacjami bez cegieł ogniotrwałych.
Przejście na czyste źródła energii musi służyć wszystkim czterem celom. Elektryfikacja musi zostać przeprowadzona we wszystkich sektorach energetycznych, w tym mieszkaniowym, komercyjnym, przemysłowym i innych. Energia słoneczna i geotermalna będą wykorzystywane do ogrzewania budynków i zakładów przemysłowych, dlatego nie zostaną zelektryfikowane Aby zastąpić obecny system, wiatr, woda, słońce (WWS) muszą być połączone z generatorami elektrycznymi.
Ciepło i przemysł: wymagana temperatura
W różnych gałęziach przemysłu do przeprowadzania różnych procesów wymagane są różne temperatury i ilości ciepła.
- Zwykła produkcja cementu i wapna – 1,300–1,800° C
- Produkcja topionej krzemionki, szkła, tradycyjnego żelaza i stali – 1,000–1,500° C
- Produkcja minerałów nieorganicznych – 150–500° C
- Produkcja alkoholu i podstawowych chemikaliów – 100–300° C
- Papiernie, tektury i celulozownie – <100° C
Jednakże IEA nie uwzględnia energii elektrycznej z sieci w procesach przemysłowych, ale w przypadku turbin parowych wymagana jest temperatura >200° C, a w przypadku ogniw termofotowoltaicznych sektor ten potrzebuje temperatury ok. 1,000–2,000° C.
Ogólnie rzecz biorąc, duże ilości ciepła są wytwarzane przez ciągłe spalanie węgla, paliw kopalnych, oleju lub biomasy. Obejmuje to również uruchamianie elektrycznych pieców oporowych i kotłów, które są łukiem elektrycznym, wiązkami elektronów i indukcją elektryczną, ale wykorzystuje również grzejniki dielektryczne i elektryczne pompy ciepła.
Zamiast kosztownego BS i GHS do magazynowania energii elektrycznej do ciągłego ciepła przemysłowego o niskiej do wysokiej temperaturze, preferowane jest stosowanie zmiennej energii elektrycznej WWS. Można jej używać w miarę dostępności. magazynować ciepło w cegłach ogniotrwałych.
Zmagazynowaną energię elektryczną można zamienić na ciepło poprzez podłączenie cegieł ogniotrwałych do metalowych grzejników elektryczno-oporowych lub poprzez bezpośrednie ogrzewanie oporowe (DRH) cegieł ogniotrwałych. Magazyny ciepła z cegły ogniotrwałej są otoczone innym rodzajem cegły ogniotrwałej, która jest bardziej izolująca, a następnie warstwą stali, aby zmniejszyć dalszą utratę ciepła. Albo jest gruby stalowy pojemnik otaczający cegły.
Cechy cegieł ogniotrwałych akumulujących ciepło
- Cegły ogniotrwałe można skutecznie wykorzystać, układając je w taki sposób, aby umożliwić przepływ powietrza przez kanały.
- Cegły ogniotrwałe są opłacalne, gdyż nie wymagają wymiennika ciepła i można je wytwarzać z niedrogich materiałów akumulujących ciepło.
- Mają ciepło właściwe i gęstość, dzięki czemu mogą pochłonąć dużo energii przy niewielkim wzroście temperatury.
- Mają wysoką temperaturę topnienia.
Przetworzone ciepło jest pobierane z cegieł ogniotrwałych w razie potrzeby jedna z następujących metod.
- Odbywa się to poprzez przepuszczanie powietrza otoczenia lub poddanego recyklingowi o niskiej lub wysokiej temperaturze przez kanały w cegłach. Poprzez bezpośrednie promieniowanie podczerwone z rozgrzanych do czerwoności cegieł.
- Podobnie jak cegły ogniotrwałe, mają one również dobre właściwości izolacyjne i wysokie temperatury topnienia. Wysoka temperatura topnienia umożliwia im wytrzymywanie wysokich temperatur i zapobiega szybkiej utracie ciepła.
Wymagania dotyczące idealnego magazynowania ciepła w cegłach ogniotrwałych
Jeśli są stosowane do izolacji, cegły ogniotrwałe muszą wytrzymywać wysokie temperatury, ale mieć niską przewodność cieplną. Ponieważ krzemionka ma niską przewodność cieplną (0.3 W/mK), jest powszechnie stosowany do izolacji z cegieł ogniotrwałych.
Krzemian glinu jest również stosowany w typowych typach izolacyjnych cegieł ogniotrwałych (głównie glinu i piasku). Jest również zawarty w cegłach silikatowych (najlepiej piasku i wapienia).
Zastosowania cegieł ogniotrwałych
Ludzie od dawna używają cegieł ogniotrwałych do magazynowania ciepła w regeneratory ciepła do produkcji szkła i stal.
Czym są regeneratory?
Są to wymienniki ciepła, które odbierają ciepło z gazów spalinowych o wysokiej temperaturze. Następnie przechowują ciepło przez 20–30 minut, a następnie wykorzystują je do wstępnego podgrzania powietrza do spalania.
Szybki fakt – Chiny były magazynowanie 10 MW ciepła w cegłach ogniotrwałych dla kompleksów handlowych i projektów ciepłowniczych przed rokiem 2018.
Niedawno pojawiła się informacja, że najwyższe budynki mogą zamienić się w magazyny zielonej energii dzięki grawitacji.
Potencjalne opcje cegły ogniotrwałej
Innym materiałem podobnym do cegieł ogniotrwałych jest materiały ogniotrwałe które historycznie były używane do różnych celów.
- Na początku epoki brązu (4,000–3,000 p.n.e.) do wyściełania prymitywnych pieców.
- W epoce żelaza (1,500–500 p.n.e.) do budowy pieców do wytopu żelaza.
- Od początku XVII wieku w tyglach na stopione szkło.
- Od połowy lat 1850. XIX wieku w piecach hutniczych.
Cegły ogniotrwałe zawierać wysokie procenty z tlenku glinu i krzemionki. Zawiera również ślady magnezji (MgO), tlenku wapnia (CaO) i tlenku żelaza (Fe2O3). W 1800 roku w Chile stosowano je do wykładania pieców do wytopu miedzi. Jednak obecnie te tanie opcje są również wytwarzane z chromu lub/i mulitu (minerał krzemianu glinu). Ale mieszanki cegieł ogniotrwałych mogą również zawierać cyrkonię (ZrO2), węglik krzemu (SIC) i cyrkon (ZrSiO4).
1. Grafit (czysty, niskogatunkowy stały węgiel)
Jest to kolejna potencjalna opcja i można podgrzać do 2,400° C. Jednak technologia ta ma różne wyzwania, aby utrzymać ją opłacalną. Głównym wyzwaniem jest powolne odparowywanie grafitu, a następnie ma ograniczoną zdolność przenoszenia ciepła, ponieważ wykorzystuje ogrzewanie promiennikowe, ponieważ w przypadku wielu zastosowań może wymagać dodatkowego przenoszenia ciepła.
Temperatura cegieł ogniotrwałych nie jest taka sama jak temperatura ogrzewanego materiału. Ponieważ temperatura materiałów zależy od mas właściwych i ciepła innych cegieł i materiałów ogniotrwałych, a także strat ciepła pomiędzy nimi.
Na przykład: Załóżmy, że grafitowe cegły ogniotrwałe dostarczają materiałowi ciepło o temperaturze 1500° C. W tym przypadku grafit musi zostać ogrzany do temperatury 1800–2000° C, aby zapewnić właściwości i utratę ciepła przez materiały.
Metody stosowane w cegłach ogniotrwałych do badań ciepła w procesach przemysłowych
Badania wpływu cegieł ogniotrwałych na ciepło procesów przemysłowych w 149 krajach obejmują 3 rodzaje modeli, jak wymieniono poniżej.
Metoda nr 1 Model arkusza kalkulacyjnego
Służy do szacowania zapotrzebowania na energię w ramach Business as Usual (BAU) i wiatru, wody i słońca (WWS) w 2050 r. na podstawie bieżącego zapotrzebowania BAU. Służy również do obliczania mocy znamionowych potrzebnych generatorom WWS do zaspokojenia zapotrzebowania WWS w 2050 r.
Metoda nr 2 globalna pogoda-klimat-zanieczyszczenie powietrza
Wyniki z modelu arkusza kalkulacyjnego są wprowadzane do GATOR-GCMOM, który jest globalnym modelem pogody-klimatu-zanieczyszczenia powietrza. Model ten prognozuje dostawy energii elektrycznej ze słońca i wiatru, a także energię cieplną ze słońca i energię fal. Prognozuje również zapotrzebowanie na chłodzenie i ogrzewanie budynków na całym świecie co 30 sekund przez kilka lat.
Są to prognozy dotyczące temperatur słońca, powietrza i wiatru, wraz z danymi wejściowymi dotyczącymi znamionowej wydajności generatora, zawarte w modelu arkusza kalkulacyjnego.
Metoda nr 3 LOADMATCH
Dane wyjściowe z GATOR-GCMOM są wprowadzane do LOADMATCH. Dopasowuje to popyt do podaży, magazynowania i odpowiedzi na popyt co 30 sekund przez wiele lat. Symulacje LOADMATCH są uruchamiane przez 3 lata, od 2050 do 2052 r. z 30-sekundowym krokiem czasowym.
Porównanie symulacji :Porównano 2 zestawy symulacji: jeden z cegłami ogniotrwałymi (przypadek ceglany) i drugi bez cegieł ogniotrwałych (przypadek bazowy). Symulacje LOADMATCH przeprowadzono w 29 regionach obejmujących 149 krajów.
Komentarze
We wszystkich 29 regionach w przypadku cegły ogniotrwałej zaobserwowano stabilność siatki, podobnie jak w przypadku bazowym. Niektóre z kluczowych różnic między obiema metodami (bazową i ognioodporną) są wymienione w poniższej tabeli. cegły ogniotrwałe zmniejszone wymagania dotyczące pojemności magazynoweji zaobserwowane zmiany są następujące:
| Parametr | Różnica procentowa = 100% × (a − b)/b |
| Pojemność akumulatora | 14.5% |
| Rozmiar ogniwa paliwowego do magazynowania zielonego wodoru | 3.9% |
| Rozmiar zbiornika wodoru | 18.3% |
| Produkcja wodoru niezbędna do zasilania sieci elektrycznej | 31.4% |
| Maksymalna szybkość rozładowania podziemnej energii cieplnej | 1% |
| Pojemność podziemnego magazynowania energii cieplnej | 27.3% |
| Moc znamionowa elektrowni wiatrowych na lądzie | 1.2% |
| Znamionowa moc wiatru na morzu | 0.54% |
| Znamionowa moc instalacji fotowoltaicznej | 0.54% |
| Pojemność znamionowa CSP | 0.84% |
Odniesienie krzyżowe – Materiał uzupełniający: Wpływ cegieł ogniotrwałych na ciepło procesów przemysłowych
Ogólnie rzecz biorąc, maksymalne szybkości rozładowania i pojemności magazynowe zwiększone poprzez dodanie cegieł ogniotrwałych. Ale w przypadku magazynowania energii elektrycznej i magazynowania ciepła w niskiej temperaturze efekt był odwrotny. Mówiąc prościej, dodanie cegieł ogniotrwałych zwiększyło maksymalną szybkość rozładowania dla wszystkich typów magazynowania, ale zmniejszyło maksymalną pojemność dla nich samych.
Badania wykazały, że ślad węglowy domu w Japonii wynosi 38 ton. co jest ciekawe. Ciekawe jaki jest ślad węglowy mojego domu!
Redukcja kosztów dzięki cegłom ogniotrwałym
We wszystkich 149 ocenianych krajach obudowa z cegły ogniotrwałej potrzebna o 14.5% mniej (32.2 TWh zamiast 37.7 TWh) pojemności magazynowej baterii niż w przypadku bazowym. Znaczne obniżenie kosztów magazynowania w przypadku cegieł ogniotrwałych w porównaniu do magazynowania w bateriach jest głównym powodem niższych kosztów energii w przypadku cegieł ogniotrwałych.
Poniższy wykres pokazuje korzyści ze zmniejszenia mocy magazynowania energii elektrycznej i ciepła niskotemperaturowego oraz generatorów za pomocą cegieł ogniotrwałych. Zmniejsza to również koszty kapitałowe przejścia 149 krajów na WWS z 58.24 do 56.97 bln USD (2020 USD) do 1.27 bln USD (2.2%).
Jednakże spadek kosztów kapitałowych zaobserwowano we wszystkich regionach, z wyjątkiem Kanady i Islandii. Wynika to z faktu, że mają już obfite i regularne dostawy zasobów wodnych i wiatrowych i nie wymagają podejścia opartego na cegle ogniotrwałej (ale i tak została zainstalowana w trakcie procesu).
Co więcej, nastąpił spadek Koszt energii wyrównany (LCOE) przez 0.15 ¢/kWh (1.7%) i roczny koszt energii o 119 miliardów dolarów rocznie (1.78%) w 149 krajach.
Niższe koszty LCOE były możliwe dzięki redukcji kosztów związanych z siecią elektroenergetyczną: wodoru sieciowego, podziemnego magazynowania energii cieplnej, akumulatorów i kosztów wytwarzania energii elektrycznej.
Z drugiej strony, pojemność magazynowa cegły ogniotrwałej wzrasta z 0 TWh do 32.1 TWh. Chociaż pojemność magazynowa ogniotrwałych cegieł jest 5.8 razy większa niż pojemność magazynowa akumulatorów o zmniejszonej pojemności, ich koszt na kWh wynosi 1/10 kosztu magazynowania akumulatorów. To wyraźnie wskazuje, że wymiana akumulatorów na ogniotrwałe cegły obniży koszty.
Średni roczny popyt końcowy BAU i WWS 2050
Zgodnie z szacunkowym zapotrzebowaniem na energię w roku 2050, cegły ogniotrwałe mają tendencję do zwiększania niższe roczne różnice w kosztach energii między cegłami ogniotrwałymi a przypadkami bazowymi. Niższe koszty kapitałowe w połączeniu z cegłami ogniotrwałymi przyczyniają się do spadku o 3.2%, czyli z 5.9 do 5.7 roku pokazując większe różnice w 149 krajach czas zwrotu kosztów energii. Dzieje się tak w przypadku, gdy następuje 100% przejście na WWS.
Ponadto w 2 regionach, W Azji Południowo-Wschodniej i Nowej Zelandii czas zwrotu z inwestycji skraca się o ponad rok. Zastosowanie cegieł ogniotrwałych zmniejsza również powierzchnię potrzebną do budowy generatorów prądu. Zauważono różnicę redukcja o 2,700 km2 (0.43%) w 149 krajach.
Jedyna wada cegieł ogniotrwałych w procesach ogrzewania przemysłowego
Przy tak wielu zaletach, jedyną wadą, jaką tu wymieniono, jest niewielka liczba możliwości zatrudnienia, jakie się dzięki temu tworzą. Szacuje się, że utworzono około 0.51% (118,000 XNUMX) mniej miejsc pracy ponieważ nastąpiły redukcje w zakresie mocy magazynowania energii elektrycznej i ciepła niskotemperaturowego w stosunku do wymaganych mocy znamionowych generatorów cegła ogniotrwała kontra przypadki bazowe.
Jak przechowywać energię słoneczną bez baterii i cegły ogniotrwałe, sprawdźmy!
Studia Przypadków :Cegły ogniotrwałe do procesów przemysłowych
A raport opublikowany w 2019 roku badane przez Daniela C. Stacka i in. wspominają o wydajności magazynowania energii przy użyciu ognioodpornych cegieł. Zespół przeprowadził symulacje komputerowe z ognioodpornymi cegłami i zgromadzona energia elektryczna w wysokiej temperaturze wynoszącej około 1000-1700° C.
Układali cegły ogniotrwałe w określonym i chronionym wzorze. Gdy było potrzebne ciepło, cegły były przenoszone do strumienia zimnego powietrza, a następnie wykorzystywane do operacji przemysłowych lub do produkcji energii elektrycznej za pomocą turbiny parowej. Dzięki temu naukowcy doszli do wniosku, że w ciągu kilku godzin mogą ładować i rozładowywać cegły ogniotrwałe. Zasugerowali również, że systemy o pojemności od 100 do 1000 megawatogodzin mogą być używane codziennie.
Do zamiany energii elektrycznej na energię cieplną stosowano grzejniki elektryczne ze stopu metali i ceramiki. Podłączano do grzejników cegły (magnez, węglik krzemu lub tlenek glinu).
Komentarze:
Grzejniki z węglika krzemu i disiliku molibdenu osiągnęły najwyższe temperatury. Jednak nawet dystrybucja ciepła do środka układu cegieł była dla nich trudna.
Do temperatur do 1100° C te grzejniki są odpowiednie, ale gdy temperatura osiągnie 1500° C i ją przekroczy, zaczynają się pogarszać. Dzieje się tak głównie dlatego, że ich zewnętrzna powłoka ochronna ustępuje miejsca dyfuzji tlenu.
Sugestie
Aby ogrzać cegły ogniotrwałe, zasugerowali naukowcy wykorzystując bezpośrednie ogrzewanie oporowe (DRH)). Elektrycznie przewodzące cegły ogniotrwałe są podgrzewane prądem elektrycznym, a ich temperatura wzrasta do 1800° C. Te cegły ogniotrwałe zawierają chrom (przewodzący tlenek metalu) domieszkowany tlenkiem magnezu lub niklu, co pozwala im osiągać wysokie temperatury.
Zalety DRH
- Ponieważ cegły ogniotrwałe same w sobie są elementami grzewczymi, DRH okazuje się korzystny, ponieważ nie występuje spadek temperatury pomiędzy nagrzewaniem elementu a cegłami ogniotrwałymi.
- Ponadto na DRH nie ma wpływu prąd, częstotliwość ani napięcie.
- Nie wymaga drogiej elektroniki energetycznej.
- Nadaje się do bezpośredniego podłączenia do instalacji fotowoltaicznej.
Naukowcy oszacowali, że cena systemu z ogniotrwałych cegieł glinowych o mocy 250 MWh z zewnętrznym ogrzewaniem w 2018 r. wynosiła około 10.75 USD/kWh-magazynowanie ciepła. Obejmuje to następujące wskaźniki:
- Izolacja (1.6%)
- Naczynie zabezpieczające (7.2%)
- Cegły ogniotrwałe (18.4%)
- Transformator (52.2%)
- Dmuchawa (11.9%)
- Drut grzejny metalowy (8.7%)
Na początek cena cegieł ogniotrwałych wynosiła około 2.12 USD/kWh, jednak tlenek magnezu byłby opłacalny przy cenie 1.87 USD/kWh, a węglik krzemu kosztowałby około 7.18 USD/kWh. Jednak dla porównania koszt baterii wynosił 250–500 USD/kWh, co jest około 10 razy więcej niż koszt magazynowania ciepła na kWh.
Studia Przypadków
2021
Według danych z 2021 r. energia elektryczna stanowiła zaledwie 20.6% całkowitego zapotrzebowania na energię w sektorach końcowych 149 krajów. Pozostały wkład pochodził z energii pływów lub fal 0.0043%, geotermalnej 0.33%, słonecznej 3.63%, wiatrowej 6.54% i hydroelektrycznej 15.5%.
W latach 2021–2022 około 47 krajów wytworzyło ponad 50% zapotrzebowania na energię elektryczną dzięki WWS, a siedem krajów wytworzyło 99.8–100% energii elektrycznej dzięki WWS.
Do tej pory energia wodna dominowała w generowaniu WWS, ale energia słoneczna i wiatrowa przejmują rynek. Gdyby większa część energii elektrycznej na świecie była generowana przez WWS, to około 90% z niej byłoby generowane przez WWS.
2022
Około 17% plików globalne emisje CO2 w 2022 r. pochodziły ze spalania ciepła przemysłowego. Ponadto 8.38% pochodziło z reakcji chemicznych podczas etapu produkcji stali, cementu i innych produktów.
Wniosek
Dzięki temu badacze doszli do wniosku, że efekty stosowania cegieł ogniotrwałych w przypadku ciepła procesowego w 149 krajach są pozytywne i są one użytecznym narzędziem do magazynowania ciepła procesowego i przechodzenia na czystą energię. Cegły ogniotrwałe mogą magazynować wysokie temperatury ciepła dla procesów przemysłowych i obniżać koszty energii odnawialnej. Istnieją pewne niepewności co do ich wydajności, takie jak dzienna stopa utraty ciepła. Ale nawet przy 5% dziennej stopie utraty ciepła cegły ogniotrwałe nadal są opłacalną opcją.
Chociaż cegły ogniotrwałe nie rozwiązują kwestii emisji przemysłowych, ich emisje z produkcji ciepła można w dużym stopniu ograniczyć. Dlatego też polityki i zachęty są niezbędne do rozwiązania kwestii zmiany klimatu, bezpieczeństwa energetycznego i zanieczyszczenia powietrza, aby promować zrównoważone potencjalne rozwiązania.
Źródło : Wpływ cegieł ogniotrwałych na ciepło procesów przemysłowych
Źródło: Informacje uzupełniające
