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 : Analiza wpływu 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 wykorzystali elektryczne ogrzewanie oporowe do nagrzania cegieł ogniotrwałych . Ciepło to będzie magazynowane do momentu wykorzystania w procesach przemysłowych. Uzyskane wyniki porównano z symulacjami bez cegieł ogniotrwałych.
Przejście na czyste źródła energii musi służyć wszystkim czterem celom. Elektryfikacja musi objąć wszystkie sektory energetyczne, w tym mieszkalny, komercyjny, przemysłowy i inne. Energia słoneczna i geotermalna będą wykorzystywane do ogrzewania budynków i zakładów przemysłowych, dlatego nie zostaną one zelektryfikowane. Aby zastąpić obecny system, wiatr, woda i słońce (WWS) muszą zostać połączone z generatorami energii elektrycznej.
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 systemu BS i GHS do magazynowania energii elektrycznej do ciągłego wytwarzania ciepła w procesach przemysłowych o niskiej i wysokiej temperaturze, preferowane jest wykorzystanie energii elektrycznej WWS o zmiennej mocy. Można ją wykorzystać, w miarę dostępności, do magazynowania ciepła w cegłach ogniotrwałych.
Zmagazynowaną energię elektryczną można przekształcić w ciepło, łącząc cegły ogniotrwałe z metalowymi grzejnikami oporowymi lub stosując bezpośrednie ogrzewanie oporowe (DRH) z cegieł ogniotrwałych. Akumulatory ciepła z cegieł ogniotrwałych są otoczone innym rodzajem cegły ogniotrwałej, która zapewnia lepszą izolację, a następnie warstwą stali, aby ograniczyć dalszą utratę ciepła. Można również umieścić cegły w grubym stalowym pojemniku.
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.
Ciepło uzyskane w procesie obróbki jest odprowadzane z cegieł ogniotrwałych, gdy zachodzi taka potrzeba, za pomocą jednej 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
W przypadku zastosowania do izolacji, cegły ogniotrwałe muszą być odporne na wysokie temperatury, ale charakteryzować się niskim przewodnictwem cieplnym. Ponieważ krzemionka ma niską przewodność cieplną (0.3 W/mK), jest ona powszechnie stosowana w izolacyjnych cegłach 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 rekuperatorach do produkcji szkła i stali.
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.
Krótki fakt – przed 2018 rokiem Chiny magazynowały 10 MW ciepła w cegłach ogniotrwałych na potrzeby kompleksów komercyjnych i projektów ciepłowniczych.
Niedawno pojawiła się informacja, że najwyższe budynki dzięki grawitacji mogą przekształcić się w magazyny zielonej energii.
Potencjalne opcje cegły ogniotrwałej
Innym materiałem podobnym do cegieł ogniotrwałych są materiały ogniotrwałe , które historycznie wykorzystywano w różnych celach.
- 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 zawierają wysoki procent tlenku glinu i krzemionki. Zawierają również śladowe ilości tlenku magnezu (MgO), tlenku wapnia (CaO) i tlenku żelaza (Fe₂O₃). W XIX wieku w Chile stosowano je do wykładania pieców hutniczych. Jednak obecnie te niedrogie opcje są również wytwarzane z chromu lub/i mulitu (minerału krzemianu glinu). Mieszanki cegieł ogniotrwałych mogą jednak zawierać również tlenek cyrkonu (ZrO₂), węglik krzemu (SIC) i cyrkon (ZrSiO₃).
1. Grafit (czysty, niskogatunkowy stały węgiel)
To kolejna potencjalna opcja, którą można podgrzać do 2,400°C . Jednak technologia ta wiąże się z wieloma wyzwaniami, które utrudniają jej opłacalność. Głównym problemem jest powolne odparowywanie grafitu, a co za tym idzie, ograniczona zdolność przenoszenia ciepła, ponieważ wykorzystuje on ogrzewanie promiennikowe, co w wielu zastosowaniach może wymagać dodatkowego przenoszenia ciepła.
Temperatura cegieł ogniotrwałych nie jest taka sama jak temperatura ogrzewanego materiału. Temperatura materiałów zależy bowiem od mas właściwych i ciepła innych cegieł ogniotrwałych i materiałów, a także od strat ciepła między nimi.
Na przykład : załóżmy, że grafitowe cegły ogniotrwałe dostarczają materiałowi ciepło o temperaturze 1500°C. W tym przypadku grafit musi zostać podgrzany do temperatury 1800-2000°C, aby zapewnić właściwości i straty ciepła.
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 zaobserwowano stabilność sieci w przypadku cegły szamotowej , podobnie jak w przypadku bazowym. Niektóre z kluczowych różnic między obiema metodami (bazową i szamotową) przedstawiono w poniższej tabeli. Zastosowanie cegły szamotowej zmniejszyło zapotrzebowanie na pojemność magazynową , a zaobserwowane różnice przedstawiają się następująco:
| 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 – Materiał uzupełniający: Wpływ cegieł ogniotrwałych na ciepło procesów przemysłowych
Ogólnie rzecz biorąc, maksymalne wskaźniki rozładowania i pojemności magazynów wzrosły po dodaniu cegieł ogniotrwałych . Jednak w przypadku magazynowania energii elektrycznej i niskotemperaturowego magazynowania ciepła efekt był odwrotny. Mówiąc wprost, dodanie cegieł ogniotrwałych zwiększyło maksymalny wskaźnik rozładowania dla wszystkich typów magazynów, ale zmniejszyło ich maksymalną pojemność.
Badania wykazały, że ślad węglowy domu w Japonii wynosi 38 ton, co jest interesujące. Ciekawe, jaki jest ślad węglowy mojego domu!
Redukcja kosztów dzięki cegłom ogniotrwałym
We wszystkich 149 ocenianych krajach, w przypadku zastosowania technologii „cegła ogniotrwała” potrzeba było o 14.5% mniej (32.2 TWh zamiast 37.7 TWh) pojemności akumulatorów niż w przypadku bazowym. Znaczne obniżenie kosztów magazynowania energii w technologii „cegła ogniotrwała” w porównaniu z magazynowaniem w akumulatorach jest głównym powodem niższych kosztów energii w przypadku technologii „cegła ogniotrwała”.
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 ogniotrwałych cegieł zwiększa się z 0 TWh do 32.1 TWh . Chociaż pojemność magazynowa ogniotrwałych cegieł jest 5.8 razy większa niż pojemność magazynowa akumulatorów o zmniejszonej pojemności, 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 2050 roku, cegły ogniotrwałe zwiększają różnice w rocznych kosztach energii między nimi a wariantami bazowymi. Niższe koszty kapitałowe w połączeniu z cegłami ogniotrwałymi przyczyniają się do spadku o 3.2%, czyli z 5.9 do 5.7 roku, co pokazuje większe różnice w czasie zwrotu kosztów energii w 149 krajach . Dotyczy to sytuacji, gdy nastąpi 100% przejście na system WWS.
Co więcej, w dwóch regionach: Azji Południowo-Wschodniej i Nowej Zelandii, czas zwrotu inwestycji skraca się o ponad rok . Zastosowanie cegieł ogniotrwałych zmniejsza również powierzchnię gruntu potrzebną do budowy generatorów prądu. Zaobserwowana różnica wyniosła 2,700 km² (0.43%) w 149 krajach.
Jedyna wada cegieł ogniotrwałych w procesach ogrzewania przemysłowego
Przy tak wielu zaletach, jedyną wadą, na którą należy zwrócić uwagę, jest niewielka liczba stworzonych dzięki temu miejsc pracy. Szacuje się, że powstało o około 0.51% (118 000) mniej miejsc pracy, ponieważ nastąpiły redukcje mocy elektrycznej i niskotemperaturowych magazynów ciepła, a także wymaganej mocy znamionowej generatorów w przypadku modeli z cegły szamotowej w porównaniu z modelami bazowymi.
Jak magazynować energię słoneczną bez baterii i cegieł ogniotrwałych? Dowiedzmy się!
Studia Przypadków :Cegły ogniotrwałe do procesów przemysłowych
Raport opublikowany w 2019 roku, którego autorami byli Daniel C. Stack i in., omawia wydajność magazynowania energii w cegłach ogniotrwałych metodą nagrzewania oporowego. Zespół przeprowadził symulacje komputerowe z cegłami ogniotrwałymi i magazynował energię elektryczną w wysokiej temperaturze 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).
Obserwacje :
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
Do ogrzewania cegieł ogniotrwałych badacze zasugerowali zastosowanie bezpośredniego ogrzewania oporowego (DRH ). Przewodzące prąd elektryczny 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% globalnej emisji CO2 w 2022 roku pochodziło ze spalania ciepła przemysłowego. Dodatkowo, 8.38% pochodziło z reakcji chemicznych zachodzących na etapie 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 procesowe w przemyśle
Źródło: Informacje uzupełniające
