É importante abordar o fato de que precisamos encontrar maneiras de aquecer a produção sem emissões. As tecnologias eólica e solar são úteis, mas sua produção varia de acordo com sua disponibilidade, além de precisarem de sistemas de armazenamento externo. No entanto, pesquisadores descobriram recentemente uma alternativa sustentável para o mesmo, tijolos refratários. Pesquisadores descobriram os efeitos positivos dos tijolos refratários para o calor do processo industrial em 149 países.
Sim, eles resolveram o problema principal de armazenar energia a um custo menor que 1/10 do custo das baterias. Após realizar simulações de computador em 149 países, os firebricks se mostraram uma ferramenta notável para reduzir os custos de transição para energia renovável.
Efeitos do tijolo refratário no aquecimento de processos industriais em 149 países
Objetivo do estudo : Analisar o impacto da utilização de tijolos refratários para armazenamento de calor em processos industriais no custo da energia e na estabilidade das redes elétricas em 149 países.
Para atingir as metas até 2050, os países pretendem gerar calor e eletricidade por meio de fontes 100% eólicas, hídricas e solares.
Processos adotados no estudo
Pesquisadores utilizaram aquecimento por resistência elétrica para aquecer os tijolos refratários . Esse calor permanece armazenado até ser necessário para processos industriais. Os resultados observados são comparados com simulações sem o uso de tijolos refratários.
A transição para fontes de energia limpa precisa atender a todos os quatro objetivos. A eletrificação precisa ser feita em todos os setores de energia, incluindo residencial, comercial, industrial e outros. A energia solar e geotérmica serão usadas para aquecer edifícios e indústrias, razão pela qual não serão eletrificadas. Para substituir o sistema atual, a energia eólica, hídrica e solar (EHS) precisa ser combinada com geradores elétricos.
Calor e Indústrias: Temperatura Necessária
As indústrias exigem temperaturas e quantidades de calor variadas para vários processos.
- Produção comum de cimento e cal – 1,300–1,800° C
- Produção de sílica fundida, vidro, ferro tradicional e aço – 1,000–1,500° C
- Produção de minerais inorgânicos – 150–500° C
- Fabricação de álcool e produtos químicos básicos – 100–300° C
- Fábricas de papel, papelão e celulose – <100° C
No entanto, a eletricidade da rede não é incluída nos processos industriais pela AIE, mas com turbinas a vapor, ela precisa de uma temperatura de >200° C e com células termofotovoltaicas, esse setor precisa de cerca de 1,000–2,000° C.
Geralmente, grandes quantidades de calor são produzidas pela combustão contínua de carvão, combustível fóssil, óleo ou biomassa. Também inclui fornos e caldeiras de resistência elétrica que são arco elétrico, feixes de elétrons e indução elétrica, mas também usa aquecedores dielétricos e bombas de calor elétricas.
Em vez de sistemas de armazenamento de energia de alto custo, como os sistemas de armazenamento de calor por gás (BS) e gás (GHS), para gerar calor contínuo em processos industriais de baixa a alta temperatura, é preferível utilizar energia elétrica variável proveniente de sistemas de armazenamento de calor por gás (WWS). Esta pode ser utilizada conforme a disponibilidade para armazenar calor em tijolos refratários.
A eletricidade armazenada pode ser convertida em calor conectando tijolos refratários a resistências elétricas metálicas ou por meio de aquecimento direto por resistência (DRH) dos tijolos refratários. Os sistemas de armazenamento de calor com tijolos refratários são circundados por outro tipo de tijolo refratário, mais isolante, e, em seguida, por uma camada de aço para reduzir ainda mais as perdas de calor. Ou então, existe um recipiente de aço espesso que envolve os tijolos.
Características dos tijolos refratários com armazenamento de calor
- Ao serem dispostos em um padrão que permita o fluxo de ar através dos canais, os tijolos refratários podem ser usados de forma eficaz.
- Os tijolos refratários são econômicos, pois não requerem trocador de calor e podem ser feitos de materiais baratos que armazenam calor.
- Eles têm calor e densidade específicos e, portanto, podem absorver muita energia com pouco aumento de temperatura.
- Eles têm altos pontos de fusão.
O calor processado é extraído dos tijolos refratários quando necessário, por meio de um dos seguintes métodos :
- É feito passando ar ambiente ou reciclado de baixa a alta temperatura por canais nos tijolos. Por radiação infravermelha direta de tijolos incandescentes.
- Semelhantes aos tijolos refratários, estes também têm boas propriedades isolantes e altos pontos de fusão. Um alto ponto de fusão permite que eles suportem altas temperaturas e evitem rápida perda de calor.
Requisitos para armazenamento de calor de tijolos refratários ideais
Se usados para isolamento, os tijolos refratários devem suportar altas temperaturas, mas com baixa condutividade térmica. Como a sílica possui baixa condutividade térmica (0.3 W/mK), ela é geralmente utilizada em tijolos refratários isolantes.
O silicato de alumina também é usado em tipos comuns de tijolos refratários isolantes (principalmente alumina e areia). Também é incluído em tijolos de silicato de cálcio (de preferência areia e calcário).
Aplicações de tijolos refratários
Há muito tempo, os humanos usam tijolos refratários para armazenar calor em regeneradores térmicos para fabricar vidro e aço.
O que são regeneradores?
Esses são trocadores de calor que recebem calor de um gás de combustão de alta temperatura. Eles então armazenam o calor por 20–30 minutos e então usam esse calor para pré-aquecer o ar para combustão.
Curiosidade : Antes de 2018, a China armazenava 10 MW de calor em tijolos refratários para complexos comerciais e projetos de aquecimento urbano.
Recentemente, foi noticiado que os edifícios mais altos poderiam se transformar em depósitos de energia verde utilizando a gravidade.
Possíveis opções de tijolos refratários
Outro material semelhante aos tijolos refratários são os materiais refratários , que historicamente foram usados para diversos fins.
- No início da Idade do Bronze (4,000-3,000 a.C.) para revestir fornos primitivos.
- Durante a Idade do Ferro (1,500-500 a.C.), para fazer fornos de produção de ferro.
- Desde o início de 1600, em cadinhos para vidro fundido.
- Desde meados da década de 1850 em fornos de produção de aço.
Os tijolos refratários contêm altas porcentagens de alumina e sílica. Também apresentam traços de magnésia (MgO), óxido de cálcio (CaO) e óxido de ferro (Fe₂O₃). No Chile, durante o século XIX, eram utilizados para revestir fundições de cobre. Contudo, atualmente, essas opções de baixo custo também são fabricadas com óxido de cromo e/ou mulita (mineral de silicato de alumínio). Mas as misturas de tijolos refratários também podem conter zircônia (ZrO₂), carbeto de silício (SiC) e zircão (ZrSiO₄).
1. Grafite (carbono sólido puro de baixa qualidade)
É outra opção potencial e pode ser aquecida a 2,400 °C . No entanto, essa tecnologia apresenta vários desafios para se manter economicamente viável. O principal desafio é a lenta vaporização do grafite, além da capacidade limitada de transferência de calor, visto que utiliza aquecimento radiante, o que pode exigir transferência de calor adicional para muitas aplicações.
A temperatura dos tijolos refratários não é a mesma que a temperatura do material aquecido. Isso ocorre porque a temperatura dos materiais depende das massas específicas e do calor dos outros tijolos refratários e materiais, além da perda de calor entre os dois.
Por exemplo : suponha que tijolos refratários de grafite estejam fornecendo calor a 1500°C para um material. Nesse caso, o grafite precisa ser aquecido a 1800-2000°C para que as propriedades do material sejam preservadas e haja perda de calor.
Métodos envolvidos em tijolos refratários para estudo de calor de processo industrial
O estudo dos efeitos dos tijolos refratários no aquecimento de processos industriais em 149 países envolve 3 tipos de modelos, conforme mencionado abaixo.
Método #1 Modelo de planilha
É usado para estimar a demanda de energia Business as Usual (BAU) e eólica, hídrica e solar (WWS) de 2050 com base na demanda atual de BAU. Também é usado para calcular as capacidades nominais necessárias para que os geradores WWS atendam à demanda WWS de 2050.
Método #2 clima-tempo global-poluição do ar
Os resultados do modelo de planilha são alimentados no GATOR-GCMOM, que é um modelo global de poluição do ar, clima e tempo. Este modelo prevê o fornecimento de eletricidade solar e eólica, juntamente com o fornecimento de calor solar e eletricidade das ondas. Ele também prevê as necessidades de resfriamento e aquecimento de edifícios globalmente a cada 30 segundos por vários anos.
Essas previsões para temperaturas solar, do ar e do vento, juntamente com a entrada da capacidade nominal do gerador no modelo de planilha.
Método #3 LOADMATCH
A saída do GATOR-GCMOM é alimentada no LOADMATCH. Isso combina a demanda com a oferta, armazenamento e resposta à demanda a cada 30 segundos por vários anos. As simulações do LOADMATCH são executadas por 3 anos, de 2050 a 2052, com um intervalo de tempo de 30 segundos.
Comparação de Simulações : 2 conjuntos de simulações são comparados: um com tijolos refratários (caso de tijolos refratários) e o outro sem tijolos refratários (caso base). As simulações LOADMATCH são realizadas em 29 regiões cobrindo 149 países.
Observações
Em todas as 29 regiões, observou-se estabilidade da rede no caso dos tijolos refratários , semelhante ao caso base. Algumas das principais diferenças entre os dois métodos (base e tijolo refratário) são mencionadas na tabela abaixo. Os tijolos refratários diminuíram os requisitos de capacidade de armazenamento , e as variações observadas são as seguintes:
| Parâmetro | Diferença percentual = 100% × (a − b)/b |
| Capacidade de armazenamento da bateria | 14.5% |
| Tamanho da célula de combustível de armazenamento de hidrogênio verde | 3.9% |
| Tamanho do tanque de hidrogênio | 18.3% |
| Produção de hidrogênio necessária para eletricidade da rede | 31.4% |
| Taxa máxima de descarga de energia térmica subterrânea | 1% |
| Capacidade de armazenamento subterrâneo de energia térmica | 27.3% |
| Capacidade nominal de energia eólica terrestre | 1.2% |
| Capacidade nominal de energia eólica offshore | 0.54% |
| Capacidade nominal do PV de utilidade pública | 0.54% |
| Capacidade da placa de identificação CSP | 0.84% |
Referência cruzada – Material suplementar: Efeitos dos tijolos refratários no calor de processos industriais
De forma geral, as taxas máximas de descarga e as capacidades de armazenamento aumentaram com a adição de tijolos refratários . No entanto, no armazenamento de energia elétrica e no armazenamento de calor a baixa temperatura, o efeito foi o oposto. Em outras palavras, a adição de tijolos refratários aumentou a taxa máxima de descarga para todos os tipos de armazenamento, mas diminuiu a capacidade máxima correspondente.
Um estudo revelou que a pegada de carbono de uma casa no Japão é de 38 toneladas, o que é interessante. Fico pensando qual será a pegada de carbono da minha casa!
Redução de custos com tijolos refratários
Em todos os 149 países avaliados, o sistema de armazenamento de energia em tijolo refratário necessitou de 14.5% menos capacidade de armazenamento em baterias (32.2 TWh em vez de 37.7 TWh) do que o sistema de armazenamento em baterias. A redução considerável no custo do armazenamento em tijolo refratário em comparação com o armazenamento em baterias é a principal razão para os menores custos de energia nesse sistema.
A figura abaixo indica os benefícios da redução das capacidades de armazenamento de eletricidade e calor de baixa temperatura e geradores com tijolos refratários. Ela também reduz os custos de capital de transição de 149 países para WWS de $ 58.24 para $ 56.97 trilhões (USD 2020) para $ 1.27 trilhão (2.2%).
No entanto, uma redução nos custos de capital foi observada em todas as regiões, exceto Canadá e Islândia. Isso ocorre porque elas já têm um suprimento abundante e regular de energia hidrelétrica e recursos eólicos e não exigem uma abordagem de tijolos refratários (mas ainda assim foi instalado durante o processo).
Além disso, houve uma diminuição no Custo nivelado de energia (LCOE) por 0.15 ¢/kWh (1.7%) e custo anual de energia em US$ 119 bilhões/ano (1.78%) em 149 países.
Custos mais baixos de LCOE foram possíveis por meio da redução de custos relacionados à rede: hidrogênio da rede, armazenamento subterrâneo de energia térmica, bateria e custos de geração de eletricidade.
Por outro lado, a capacidade de armazenamento de energia em tijolos refratários aumenta de 0 TWh para 32.1 TWh . Embora a capacidade de armazenamento em tijolos refratários seja 5.8 vezes maior que a capacidade reduzida de armazenamento em baterias, seu custo por kWh é 1/10 do custo do armazenamento em baterias. Isso indica claramente que a substituição de baterias por tijolos refratários reduzirá os custos.
Demanda média anual de uso final BAU e WWS 2050
De acordo com a demanda energética estimada para 2050, os tijolos refratários tendem a reduzir as diferenças nos custos anuais de energia entre os cenários com tijolos refratários e os cenários base. Os menores custos de capital, combinados com o uso de tijolos refratários, contribuem para uma redução de 3.2%, que diminui de 5.9 para 5.7 anos, apresentando diferenças significativas no tempo de retorno do investimento em energia em 149 países . Isso ocorre no caso de uma transição completa para sistemas de aquecimento de paredes.
Além disso, em duas regiões, Sudeste Asiático e Nova Zelândia, o tempo de retorno do investimento diminui em mais de um ano . O uso de tijolos refratários também reduz a área necessária para a geração de eletricidade. A diferença observada foi uma redução de 2,700 km² (0.43%) em 149 países.
A única desvantagem dos tijolos refratários em Processos de Aquecimento Industrial
Com tantas vantagens, a única desvantagem observada aqui é o baixo número de oportunidades de emprego criadas. Estima-se que foram criados cerca de 0.51% (118,000) empregos a menos, devido à redução na capacidade de geração de eletricidade e armazenamento de calor em baixas temperaturas, além da redução na capacidade nominal dos geradores necessários nos sistemas de tijolo refratário em comparação com os sistemas convencionais.
Como armazenar energia solar sem baterias e tijolos refratários? Vamos descobrir!
Estudos de Caso: Tijolos refratários para aquecimento de processos industriais
Um relatório publicado em 2019, fruto de pesquisa de Daniel C. Stack e outros, menciona o desempenho do armazenamento de energia por resistência térmica em tijolos refratários. A equipe realizou simulações computacionais com tijolos refratários e armazenou eletricidade em altas temperaturas, entre 1000 e 1700 °C.
Eles organizaram os tijolos refratários em um padrão específico e protegido. Quando o calor era necessário, os tijolos eram movidos para uma corrente de ar frio e então usados para operações industriais ou para produzir eletricidade usando uma turbina a vapor. Por meio disso, os pesquisadores concluíram que em poucas horas eles podem carregar e descarregar os tijolos refratários. Eles também sugeriram que sistemas com capacidade de 100 a 1000 megawatts-hora podem ser usados diariamente.
Aquecedores de resistência elétrica de liga metálica e cerâmica eram usados para converter eletricidade em energia térmica. Eles conectavam tijolos (magnésia, carboneto de silício ou alumina) aos aquecedores.
Observações :
Aquecedores de carboneto de silício e dissilicida de molibdênio atingiram as temperaturas mais altas. Mas até mesmo a distribuição de calor para o centro do conjunto de tijolos era difícil para eles.
Para temperaturas de até 1100° C, esses aquecedores são adequados, mas quando a temperatura atinge 1500° C e a ultrapassa, eles começam a se deteriorar. Isso acontece principalmente porque seu revestimento protetor externo dá lugar à difusão de oxigênio.
Dica
Para aquecer tijolos refratários, pesquisadores sugeriram o uso de aquecimento por resistência direta (DRH ). Tijolos refratários eletricamente condutores são aquecidos com corrente elétrica e sua temperatura sobe até 1800°C. Esses tijolos contêm óxido de cromo (um óxido metálico condutor) dopado com óxido de magnésio ou níquel, o que lhes permite atingir altas temperaturas.
Vantagens do DRH
- Como os tijolos refratários são elementos de aquecimento, o DRH se mostra vantajoso, pois não há queda de temperatura entre o aquecimento do elemento e dos tijolos refratários.
- Além disso, o DRH não é afetado por corrente, frequência ou voltagem.
- Não requer eletrônicos de potência caros.
- É adequado para conexão direta a um conjunto fotovoltaico.
Pesquisadores estimaram que o preço de um sistema de tijolos refratários de alumina de 250 MWh com aquecimento externo em 2018 era de aproximadamente US$ 10.75/kWh-armazenamento térmico. Isso inclui as seguintes proporções:
- Isolamento (1.6%)
- Recipiente de contenção (7.2%)
- Tijolos refratários (18.4%)
- Transformador (52.2%)
- Soprador (11.9%)
- Fio de aquecimento metálico (8.7%)
Para começar, o preço dos tijolos refratários era de cerca de US$ 2.12/kWh, no entanto, o óxido de magnésio teria sido econômico a US$ 1.87/kWh e o carboneto de silício custaria cerca de US$ 7.18/kWh. Mas, em comparação, o custo das baterias era de US$ 250 a US$ 500/kWh, o que é cerca de 10 vezes mais do que o custo do armazenamento térmico por kWh.
Estudos de Caso
2021
De acordo com dados de 2021, a eletricidade foi responsável por apenas 20.6% do total de energia demandada nos setores de uso final de 149 países. As contribuições restantes foram de marés ou energia das ondas 0.0043%, geotérmica 0.33%, solar 3.63%, eólica 6.54% e hidrelétrica 15.5%.
Em 2021-2022, cerca de 47 países geraram mais de 50% da eletricidade demandada com WWS e sete países geraram 99.8-100% de eletricidade com WWS.
Até agora, a energia hidrelétrica dominou a geração de WWS, mas a solar e a eólica estão tomando conta do mercado. No caso, se a maior parte da eletricidade do mundo for gerada por WWS, então cerca de 90% dela seria gerada por WWS.
2022
Em 2022, cerca de 17% das emissões globais de CO2 foram provenientes da combustão de produtos químicos na indústria. Além disso, 8.38% foram provenientes de reações químicas durante a fase de fabricação de aço, cimento e outros produtos.
Conclusão
Com isso, os pesquisadores concluíram que os efeitos dos tijolos refratários para o calor do processo industrial em 149 países são positivos e são uma ferramenta útil para armazenar calor do processo industrial e fazer a transição para energia limpa. Os tijolos refratários podem armazenar altas temperaturas de calor para processos industriais e reduzir o custo da energia renovável. Existem algumas incertezas sobre seu desempenho, como a taxa de perda diária de calor. Mas mesmo com uma taxa de perda diária de calor de 5%, os tijolos refratários ainda são uma opção econômica.
Embora os tijolos refratários não tratem das emissões industriais, suas emissões da produção de calor podem ser reduzidas em grande medida. Assim, políticas e incentivos são necessários para tratar das mudanças climáticas, segurança energética e poluição do ar para promover soluções potenciais sustentáveis.
Fonte : Efeitos dos tijolos refratários no aquecimento de processos industriais
Fonte: Informações suplementares
