Важно учитывать тот факт, что нам нужно найти способы производства тепла без выбросов. Ветровые и солнечные технологии полезны, но их выход зависит от их доступности, плюс им нужны внешние системы хранения. Однако недавно исследователи обнаружили устойчивую альтернативу для того же самого — огнеупорные кирпичи. Исследователи обнаружили положительные эффекты огнеупорных кирпичей для промышленного технологического тепла в 149 странах.
Да, они решили главную проблему хранения энергии по цене менее 1/10 стоимости батарей. После проведения компьютерного моделирования в 149 странах огнеупорные кирпичи оказались замечательным инструментом для снижения затрат на переход к возобновляемой энергии.
Влияние огнеупорного кирпича на промышленные технологические процессы в 149 странах
Цель исследования : Проанализировать влияние использования огнеупорных кирпичей для хранения технологического тепла в промышленности на стоимость энергии и стабильность электросетей в 149 странах.
Для достижения поставленных целей к 2050 году страны намерены производить тепло и электроэнергию исключительно за счет источников ВВС (ветер, вода, солнце).
Процессы, принятые в исследовании
Исследователи использовали электрический резистивный нагрев для преобразования его в электричество, чтобы нагреть огнеупорные кирпичи . Это тепло будет сохраняться до тех пор, пока не понадобится в промышленных процессах. Полученные результаты сравниваются с результатами моделирования без использования огнеупорных кирпичей.
Переход к чистым источникам энергии должен удовлетворять всем четырем целям. Электрификация должна проводиться во всех энергетических секторах, включая жилой, коммерческий, промышленный и другие. Солнечная и геотермальная энергия будут использоваться для отопления зданий и промышленных предприятий, поэтому они не будут электрифицированы. Для замены существующей системы необходимо объединить ветровую, гидро- и солнечную энергию (ВГЭ) с электрогенераторами.
Тепло и промышленность: требуемая температура
Для различных процессов в промышленности требуются различные температуры и количества тепла.
- Обычное производство цемента и извести – 1,300–1,800° C
- Плавленый кварц, стекло, традиционное производство железа и стали – 1,000–1,500° C
- Производство неорганических минералов – 150–500° C
- Производство спирта и основных химических веществ – 100–300° C
- Бумажные, картонные и целлюлозные фабрики – <100° C
Однако МЭА не включает сетевое электричество в промышленные процессы, но при использовании паровых турбин для него требуется температура >200 °C, а при использовании термофотоэлектрических элементов этому сектору требуется около 1,000–2,000 °C.
Обычно большое количество тепла вырабатывается путем непрерывного сжигания угля, ископаемого топлива, нефти или биомассы. Сюда также входят работающие электрические печи сопротивления и котлы, которые являются электродуговыми, электронными лучами и электрическими индукционными, но также используются диэлектрические нагреватели и электрические тепловые насосы.
Вместо дорогостоящих систем хранения энергии (BS и GHS) для аккумулирования электроэнергии, необходимой для непрерывного нагрева промышленных процессов при низких и высоких температурах, предпочтительнее использовать переменную электроэнергию, получаемую с помощью систем хранения энергии (WWS). Ее можно использовать по мере поступления для аккумулирования тепла в огнеупорных кирпичах.
Накопленная электроэнергия может быть преобразована в тепло путем соединения огнеупорных кирпичей с металлическими электрорезистивными нагревателями или путем прямого резистивного нагрева (DRH) огнеупорных кирпичей. Теплоаккумуляторы из огнеупорных кирпичей окружаются другим типом огнеупорных кирпичей, обладающих лучшими теплоизоляционными свойствами, а затем слоем стали для уменьшения дальнейших потерь тепла. Или же кирпичи могут быть окружены толстым стальным контейнером.
Характеристики огнеупорных кирпичей, сохраняющих тепло
- Расположив огнеупорные кирпичи таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха по каналам, их можно использовать эффективно.
- Огнеупорные кирпичи экономически эффективны, поскольку не требуют теплообменника и могут быть изготовлены из недорогих теплоаккумулирующих материалов.
- Они обладают удельной теплоемкостью и плотностью и поэтому могут поглощать большое количество энергии при небольшом повышении температуры.
- Они имеют высокие температуры плавления.
При необходимости тепловая энергия отводится от огнеупорных кирпичей одним из следующих способов.
- Это делается путем пропускания окружающего или рециркулированного воздуха с низкой или высокой температурой через каналы в кирпичах. С помощью прямого инфракрасного излучения от раскаленных кирпичей.
- Подобно огнеупорным кирпичам, они также обладают хорошими изоляционными свойствами и высокой температурой плавления. Высокая температура плавления позволяет им выдерживать высокие температуры и предотвращать быструю потерю тепла.
Требования к идеальному хранению тепла из огнеупорных кирпичей
При использовании в качестве теплоизоляции огнеупорный кирпич должен выдерживать высокие температуры, но при этом обладать низкой теплопроводностью. Поскольку кремнезем имеет низкую теплопроводность (0.3 Вт/мК), его обычно используют в качестве теплоизоляционного огнеупорного кирпича.
Алюмосиликат также используется в обычных типах изоляционных огнеупорных кирпичей (в основном глиноземных и песчаных). Он также входит в состав кальциево-силикатных кирпичей (предпочтительно песчаных и известняковых).
Применение огнеупорных кирпичей
Издавна человечество использовало огнеупорные кирпичи для аккумулирования тепла в теплогенераторах, применяемых при производстве стекла и стали.
Что такое регенераторы?
Это теплообменники, которые получают тепло от высокотемпературного дымового газа. Затем они хранят тепло в течение 20–30 минут, а затем используют это тепло для предварительного нагрева воздуха для горения.
Интересный факт : до 2018 года Китай аккумулировал 10 МВт тепловой энергии в огнеупорных кирпичах для коммерческих комплексов и систем централизованного теплоснабжения.
Недавно сообщалось, что самые высокие здания могут превратиться в хранилища экологически чистой энергии за счет силы тяжести.
Возможные варианты огнеупорного кирпича
Еще одним материалом, похожим на огнеупорный кирпич, являются огнеупорные материалы , которые исторически использовались для различных целей.
- В раннем бронзовом веке (4,000–3,000 гг. до н. э.) для облицовки примитивных печей.
- В железном веке (1,500–500 гг. до н. э.) для строительства печей для выплавки железа.
- С начала 1600-х годов в тиглях для плавления стекла.
- С середины 1850-х годов в сталеплавильных печах.
Огнеупорные кирпичи содержат высокий процент оксида алюминия и кремнезема. В них также присутствуют следы оксида магния (MgO), оксида кальция (CaO) и оксида железа (Fe2O3). В 1800-х годах в Чили их использовали для футеровки медеплавильных заводов. Однако сегодня эти недорогие варианты также изготавливаются с добавлением оксида хрома и/или муллита (алюмосиликатного минерала). Но в состав огнеупорных смесей также могут входить диоксид циркония (ZrO2), карбид кремния (SIC) и циркон (ZrSiO4).
1. Графит (чистый низкосортный твердый углерод)
Это еще один потенциальный вариант, позволяющий нагревать материал до 2,400°C . Однако эта технология сталкивается с рядом проблем, препятствующих ее экономической эффективности. Главная проблема — медленное испарение графита, что ограничивает его теплопередающую способность, поскольку используется лучистый нагрев, так как для многих применений может потребоваться дополнительная теплопередача.
Температура огнеупорного кирпича не совпадает с температурой нагреваемого материала. Температура материалов зависит от удельной массы и теплоемкости других огнеупорных кирпичей и материалов, а также от теплопотерь между ними.
Например : Предположим, что графитовые огнеупорные кирпичи передают материалу тепло в 1500 °C. В этом случае для изменения свойств материала и уменьшения теплопотерь графит необходимо нагреть до 1800-2000 °C.
Методы, используемые в огнеупорных кирпичах для изучения промышленного технологического тепла
Исследование влияния огнеупорных кирпичей на промышленные технологические процессы в 149 странах включает 3 типа моделей, указанных ниже.
Метод №1. Модель электронной таблицы
Он используется для оценки спроса на энергию в обычном режиме (BAU) и ветровой, водной и солнечной (WWS) режиме 2050 года на основе текущего спроса BAU. Он также используется для расчета паспортных мощностей, необходимых для генераторов WWS для удовлетворения спроса WWS в 2050 году.
Метод №2 глобальная погода-климат-загрязнение воздуха
Результаты модели электронной таблицы вводятся в GATOR-GCMOM, которая является глобальной моделью погоды, климата и загрязнения воздуха. Эта модель прогнозирует поставки солнечной и ветровой электроэнергии, а также солнечного тепла и электроэнергии волн. Она также прогнозирует потребности в охлаждении и отоплении зданий по всему миру каждые 30 секунд в течение нескольких лет.
Эти прогнозы относительно температур солнца, воздуха и ветра, а также вводные данные по паспортной мощности генератора в модели электронной таблицы.
Метод №3 LOADMATCH
Выходные данные GATOR-GCMOM подаются в LOADMATCH. Это сопоставляет спрос с предложением, хранение и ответ на спрос каждые 30 секунд в течение нескольких лет. Моделирование LOADMATCH выполняется в течение 3 лет, с 2050 по 2052 год с 30-секундным шагом времени.
Сравнение симуляций : Сравниваются 2 набора симуляций: одна с огнеупорными кирпичами (случай с огнеупорными кирпичами) и другая без огнеупорных кирпичей (базовый случай). Моделирование LOADMATCH проводится в 29 регионах, охватывающих 149 стран.
Наблюдения
Во всех 29 регионах в случае использования огнеупорного кирпича наблюдалась стабильность сети , аналогичная базовой. Некоторые ключевые различия между обоими методами (базовым и огнеупорным) указаны в таблице ниже. Использование огнеупорного кирпича снизило требования к емкости хранилища , и наблюдаемые изменения следующие:
| Параметр | Процентная разница = 100% × (a − b)/b |
| Емкость аккумулятора | 14.5% |
| Размер топливного элемента для хранения зеленого водорода | 3.9% |
| Размер водородного бака | 18.3% |
| Производство водорода необходимо для электросетей | 31.4% |
| Максимальная скорость сброса подземной тепловой энергии | 1% |
| Подземная емкость хранения тепловой энергии | 27.3% |
| Номинальная мощность наземной ветровой энергии | 1.2% |
| Номинальная мощность ветроэнергетики на море | 0.54% |
| Паспортная мощность фотоэлектрических систем коммунального назначения | 0.54% |
| Паспортная мощность CSP | 0.84% |
Перекрестная ссылка – Дополнительные материалы: Влияние огнеупорных кирпичей на тепловые процессы в промышленности
В целом, добавление огнеупорных кирпичей увеличило максимальную скорость разряда и емкость накопителей . Однако в случае электрических накопителей и низкотемпературных тепловых накопителей эффект был противоположным. Проще говоря, добавление огнеупорных кирпичей увеличило максимальную скорость разряда для всех типов накопителей, но уменьшило максимальную емкость для них.
Согласно исследованию, углеродный след дома в Японии составляет 38 тонн, что весьма интересно. Интересно, какой углеродный след у моего дома!
Снижение затрат с помощью огнеупорных кирпичей
Во всех 149 странах, участвовавших в исследовании, в варианте с огнеупорными блоками требовалось на 14.5% меньше емкости аккумуляторных батарей (32.2 ТВт·ч вместо 37.7 ТВт·ч), чем в базовом варианте. Значительное снижение стоимости огнеупорных батарей по сравнению с аккумуляторными батареями является основной причиной более низких затрат на электроэнергию в варианте с огнеупорными батареями.
На рисунке ниже показаны преимущества снижения мощностей электро- и низкотемпературных теплоаккумуляторов и генераторов с огнеупорным кирпичом. Это также снижает капитальные затраты на переход 149 стран к WWS с 58.24 до 56.97 трлн долл. США (2020 долл. США) до 1.27 трлн долл. США (2.2%).
Однако снижение капитальных затрат наблюдалось во всех регионах, за исключением Канады и Исландии. Это связано с тем, что они уже имеют обильные и регулярные поставки гидро- и ветровых ресурсов и не требуют подхода с огнеупорным кирпичом (но он все равно был установлен в процессе).
Кроме того, к услугам пользователей произошло снижение в Приведенная стоимость энергии (LCOE) по 0.15 ¢/кВт·ч (1.7%) и годовая стоимость энергии на 119 млрд долларов США в год (1.78%) в 149 странах.
Снижение затрат на LCOE стало возможным за счет сокращения расходов, связанных с сеткой: водородная сеть, подземное хранение тепловой энергии, аккумуляторы и затраты на производство электроэнергии.
С другой стороны, емкость накопителя на основе огнеупорного кирпича увеличивается с 0 ТВт·ч до 32.1 ТВт·ч . Хотя емкость накопителя на основе огнеупорного кирпича в 5.8 раза больше, чем уменьшенная емкость аккумуляторной батареи, его стоимость за кВт·ч составляет 1/10 от стоимости аккумуляторной батареи. Это ясно показывает, что замена батарей на огнеупорные кирпичи позволит снизить затраты.
Среднегодовой спрос конечного потребления BAU и WWS 2050
Согласно прогнозируемому спросу на энергию в 2050 году, огнеупорный кирпич, как правило, увеличивает разницу в годовых затратах на энергию между вариантами с огнеупорным кирпичом и базовыми вариантами. Снижение капитальных затрат в сочетании с использованием огнеупорного кирпича приводит к уменьшению на 3.2%, что составляет от 5.9 до 5.7 лет, демонстрируя значительные различия во времени окупаемости затрат на энергию в 149 странах . Это происходит в случае 100% перехода на энергосберегающие технологии.
Кроме того, в двух регионах, Юго-Восточной Азии и Новой Зеландии, срок окупаемости сокращается более чем на год . Использование огнеупорного кирпича также уменьшает площадь, необходимую для размещения электрогенераторов. Отмеченная разница составила 2,700 км² (0.43%) в 149 странах.
Единственный недостаток огнеупорных кирпичей в процессах промышленного нагрева
При всех преимуществах единственным отмеченным недостатком является небольшое количество созданных рабочих мест. По оценкам, было создано примерно на 0.51% (118 000) меньше рабочих мест, поскольку произошло сокращение мощностей по производству электроэнергии и низкотемпературного теплоаккумулирования, а также необходимой номинальной мощности генераторов в огнеупорных кирпичных установках по сравнению с базовыми вариантами.
Как хранить солнечную энергию без батарей и огнеупорных кирпичей? Давайте разберемся!
Сферы деятельности: Огнеупорные кирпичи для промышленного технологического тепла
В отчете, опубликованном в 2019 году и подготовленном Дэниелом К. Стэком и др., упоминается эффективность систем аккумулирования энергии с использованием огнеупорного кирпича с резистивным нагревом. Группа исследователей провела компьютерное моделирование с использованием огнеупорного кирпича и аккумулированной электроэнергии при высоких температурах около 1000-1700°C.
Они разместили огнеупорные кирпичи в определенном и защищенном порядке. Когда требовалось тепло, кирпичи перемещались в поток холодного воздуха, а затем использовались для промышленных операций или для производства электроэнергии с помощью паровой турбины. Благодаря этому исследователи пришли к выводу, что в течение нескольких часов они могут заряжать и разряжать огнеупорные кирпичи. Они также предположили, что системы с мощностью от 100 до 1000 мегаватт-часов можно использовать ежедневно.
Для преобразования электроэнергии в тепловую энергию использовались нагреватели электрического сопротивления из металлических сплавов и керамики. К нагревателям присоединяли кирпичи (магнезиальные, карбид кремния или глиноземные).
Наблюдения :
Наибольших температур достигли нагреватели из карбида кремния и дисилицида молибдена. Но равномерное распределение тепла к центру кирпичного массива для них было затруднено.
Для температур до 1100° C эти нагреватели подходят, но как только температура достигает 1500° C и превышает ее, они начинают разрушаться. Это происходит в основном потому, что их внешнее защитное покрытие поддается диффузии кислорода.
Предложения
Для нагрева огнеупорных кирпичей исследователи предложили использовать прямой резистивный нагрев (DRH ). Электропроводящие огнеупорные кирпичи нагреваются электрическим током, и их температура повышается до 1800°C. Эти огнеупорные кирпичи содержат оксид хрома (проводящий оксид металла), легированный оксидом магния или никеля, что позволяет им достигать высоких температур.
Преимущества DRH
- Поскольку огнеупорные кирпичи сами по себе являются нагревательными элементами, технология DRH оказывается выгодной, поскольку не происходит перепада температур между нагревательным элементом и огнеупорными кирпичами.
- Кроме того, DRH не зависит от тока, частоты или напряжения.
- Не требует дорогостоящей силовой электроники.
- Подходит для прямого подключения к фотоэлектрической батарее.
Исследователи подсчитали, что цена системы из огнеупорного кирпича на 250 МВт·ч с внешним отоплением в 2018 году составляла приблизительно 10.75 долл./кВт·ч-теплового-хранения. Это включает следующие соотношения:
- Изоляция (1.6%)
- Контейнер для хранения (7.2%)
- Огнеупорный кирпич (18.4%)
- Трансформатор (52.2%)
- Воздуходувка (11.9%)
- Металлический нагревательный провод (8.7%)
Начнем с того, что цена огнеупорных кирпичей составляла около $2.12/кВт·ч, однако оксид магния был бы экономически эффективен при $1.87/кВт·ч, а карбид кремния стоил бы около $7.18/кВт·ч. Но для сравнения, стоимость батарей составляла $250-$500/кВт·ч, что примерно в 10 раз больше стоимости теплового накопителя за кВт·ч.
Сферы деятельности
2021
По данным за 2021 год, на электроэнергию приходилось всего 20.6% от общего объема потребляемой мощности в секторах конечного потребления 149 стран. Остальной вклад внесли приливы и волны (0.0043%), геотермальная энергия (0.33%), солнечная энергия (3.63%), ветровая энергия (6.54%) и гидроэнергия (15.5%).
В 2021–2022 годах около 47 стран вырабатывали более 50% потребляемой электроэнергии с помощью ВСЭ, а семь стран вырабатывали 99.8–100% электроэнергии с помощью ВСЭ.
До сих пор гидроэнергетика доминировала в производстве WWS, но солнечная и ветровая энергия завоевывают рынок. В случае, если большая часть электроэнергии в мире будет вырабатываться WWS, то около 90% ее будет вырабатываться WWS.
2022
Около 17% мировых выбросов CO2 в 2022 году приходилось на сжигание промышленного тепла. Кроме того, 8.38% приходилось на химические реакции на этапе производства стали, цемента и других продуктов.
Заключение
При этом исследователи пришли к выводу, что воздействие огнеупорных кирпичей на промышленное технологическое тепло в 149 странах является положительным, и они являются полезным инструментом для хранения промышленного технологического тепла и перехода на чистую энергию. Огнеупорные кирпичи могут хранить высокие температуры тепла для промышленных процессов и снижать стоимость возобновляемой энергии. Существуют некоторые неопределенности относительно их производительности, такие как ежедневная скорость потери тепла. Но даже при 5%-ной ежедневной скорости потери тепла огнеупорные кирпичи по-прежнему являются экономически эффективным вариантом.
Хотя огнеупорные кирпичи не решают проблему промышленных выбросов, но их выбросы от производства тепла могут быть в значительной степени сокращены. Таким образом, необходимы политика и стимулы для решения проблем изменения климата, энергетической безопасности и загрязнения воздуха, чтобы продвигать потенциальные устойчивые решения.
Источник : Влияние огнеупорных кирпичей на тепловые процессы в промышленности.
Источник: Дополнительная информация
