Det är viktigt att ta upp det faktum att vi måste hitta sätt att värma produktion utan utsläpp. Vind- och solteknik är användbara, men deras produktion varierar beroende på tillgänglighet plus att de behöver externa lagringssystem. Men nyligen upptäckte forskare ett hållbart alternativ för detsamma, eldtegel. Forskare upptäckte de positiva effekterna av tegelstenar för industriell processvärme i 149 länder.
Ja, de löste huvudproblemet med att lagra energin till en kostnad som var mindre än 1/10 av kostnaden för batterierna. Efter att ha utfört datorsimuleringar i 149 länder visade sig eldtegel vara ett anmärkningsvärt verktyg för att minska omställningskostnaderna för förnybar energi.
Effekter av eldtegel för industriell processvärme i 149 länder
Mål av studien: Att analysera effekten av användningen av eldstenar för lagring av industriell processvärme på energikostnaden och stabiliteten för elnät i 149 länder.
För att uppnå målen till 2050, siktar länder på att generera värme och el med 100 % WWS (vind, vatten, sol) källor.
Processer som antagits i studien
Forskare har använde elektrisk motståndsvärme till el för att värma eldstenarna. Denna värme kommer att förbli lagrad tills den behövs för industriella processer. De observerade resultaten jämförs med simuleringar utan eldtegel.
Övergången till rena energikällor måste tjäna alla fyra syften. Elektrifiering måste göras inom alla energisektorer, inklusive bostäder, kommersiella, industriella och andra. Sol och jordvärme kommer att användas för att värma upp byggnader och industrier, varför de inte kommer att elektrifieras. För att ersätta det nuvarande systemet, vind, vatten, sol (WWS) måste kombineras med elektriska generatorer.
Värme och industrier: Temperatur krävs
Industrier kräver varierande temperaturer och mängder värme för olika processer.
- Vanlig cement- och kalkproduktion – 1,300 1,800–XNUMX XNUMX°C
- Smält kiseldioxid, glas, traditionell järn- och stålproduktion – 1,000 1,500–XNUMX XNUMX°C
- Oorganisk mineralproduktion – 150–500°C
- Alkohol och grundläggande kemisk tillverkning – 100–300°C
- Pappers-, kartong- och massabruk – <100°C
Elnät ingår dock inte i industriella processer av IEA men med ångturbiner behöver den en temperatur på >200°C och med termofotovoltaiska celler behöver denna sektor runt 1,000 2,000–XNUMX XNUMX°C.
Generellt produceras stora mängder värme genom kontinuerlig förbränning av kol, fossilt bränsle, olja eller biomassa. Det inkluderar också drivande elektriska motståndsugnar och pannor som är ljusbåge, elektronstrålar och elektrisk induktion, men den använder också dielektriska värmare och elektriska värmepumpar.
Istället för högkostnads-BS och GHS för att lagra el för kontinuerlig låg-till-hög temperatur industriell processvärme, är det att föredra att använda variabel WWS-el. Detta kan användas när och när det är tillgängligt för lagra värme i eldstenar.
Den lagrade elektriciteten kan omvandlas till värme genom att ansluta eldstenar till metalliska elektriska motståndsvärmare eller direktmotståndsvärmning (DRH) av eldstenar. Eldstensvärmelagrar är omgivna av en annan typ av eldtegel som är mer isolerande och sedan ett lager stål för att minska ytterligare värmeförluster. Eller så finns det en tjock stålbehållare som omger tegelstenarna.
Funktioner hos värmelagrande eldstenar
- Genom att arrangera i ett mönster som tillåter luftflöde genom kanaler, kan eldstenar användas effektivt.
- Eldstenar är kostnadseffektiva eftersom ingen värmeväxlare behövs och kan tillverkas av billiga värmelagringsmaterial.
- De har specifik värme och densiteter och kan därför absorbera mycket energi med liten ökning av temperaturen.
- De har höga smältpunkter.
Den bearbetade värmen hämtas från eldstenarna när det behövs någon av följande metoder.
- Det görs genom att omgivande eller återvunnen luft med låg till hög temperatur passerar genom kanaler i tegelstenarna. Genom direkt infraröd strålning från glödheta tegelstenar.
- I likhet med eldfast tegel har dessa också goda isoleringsegenskaper och höga smältpunkter. En hög smältpunkt gör att de tål höga temperaturer och förhindrar snabb värmeförlust.
Krav på Ideal Firebricks värmelagring
Om de används för isolering måste eldtegel klara höga temperaturer men med låg värmeledningsförmåga. Sedan kiseldioxid har låg värmeledningsförmåga (0.3 W/mK), det används vanligtvis i isolerande eldtegel.
Aluminiumoxidsilikat används också i vanliga typer av isolerande tegelstenar (främst aluminiumoxid och sand). Det ingår också i kalciumsilikattegel (helst sand och kalksten).
Tillämpningar av Firebricks
Under lång tid har människor använt eldstenar för värmelagring i värmeregeneratorer för att göra glas och stål.
Vad är regeneratorer?
Dessa är värmeväxlare som tar emot värme från en högtemperatur rökgas. De lagrar sedan värmen i 20–30 minuter och använder sedan denna värme för att förvärma luften för förbränning.
Snabbfakta – Kina var lagra 10 MW värme i eldstenar för kommersiella komplex och fjärrvärmeprojekt före 2018.
Nyligen rapporterades det högsta byggnader kan förvandlas till grön energi lagerhus med gravitation.
Potentiella Firebrick-alternativ
Ett annat material som liknar eldtegel är eldfasta material som historiskt sett använts för olika ändamål.
- I den tidiga bronsåldern (4,000 3,000-XNUMX XNUMX f.Kr.) för att fodra primitiva ugnar.
- Under järnåldern (1,500 500-XNUMX f.Kr.), att tillverka järntillverkningsugnar.
- Sedan tidigt 1600-tal, i deglar för smält glas.
- Sedan mitten av 1850-talet i ståltillverkningsugnar.
Eldfast tegel innehålla höga procentsatser av aluminiumoxid och kiseldioxid. Den har också spår av magnesiumoxid (MgO), kalciumoxid (CaO) och järnoxid (Fe2O3). Under 1800 i Chile användes dessa för att fodra kopparsmältverk. Men idag är dessa billiga alternativ också gjorda av krom eller/och mullit (aluminiumsilikatmineral). Men blandningar av eldtegel kan också ha zirkoniumoxid (ZrO2), kiselkarbid (SIC) och zirkon (ZrSiO4).
1. Grafit (rent lågkvalitativt fast kol)
Det är ett annat potentiellt alternativ och kan värmas till 2,400 XNUMX°C. Denna teknik har dock olika utmaningar för att hålla dem kostnadseffektiva. Den stora utmaningen är den långsamma förångningen av grafit, sedan har den begränsad värmeöverföringsförmåga eftersom den använder strålningsvärme, eftersom det för många applikationer kan kräva ytterligare värmeöverföring.
Eldstens temperatur är inte densamma som temperaturen på det uppvärmda materialet. Som Materialets temperatur beror på specifika massor och värme av andra eldstenar och material tillsammans med värmeförlust mellan de två.
Till exempel: Antag att grafitbrännstenar tillför 1500°C värme till ett material. Här behöver grafiten värmas till 1800-2000°C för både egenskaper och värmeförlust hos materialen.
Metoder involverade i Firebricks för industriell processvärmestudie
Studieeffekterna av eldtegel för industriell processvärme i 149 länder involverar 3 typer av modeller som nämns nedan.
Metod #1 Kalkylbladsmodell
Den används för att uppskatta 2050 Business as Usual (BAU) och vind-, vatten- och solenergibehov (WWS) baserat på den aktuella BAU-efterfrågan. Den används också för att beräkna namnskyltens kapacitet som behövs för att WWS-generatorer ska möta 2050 WWS-efterfrågan.
Metod #2 globala väder-klimat-luftföroreningar
Resultat från kalkylbladsmodellen matas in i GATOR-GCMOM som är en global modell för väder-klimat-luftföroreningar. Denna modell förutser sol- och vindelförsörjning tillsammans med solvärme- och vågelförsörjning. Den förutspår också kylnings- och värmebehov för byggnader globalt var 30:e sekund under flera år.
Dessa förutsägelser för sol-, luft- och vindtemperaturer tillsammans med input från generatorns namnskyltkapacitet i kalkylbladsmodellen.
Metod #3 LOADMATCH
Utdata från GATOR-GCMOM matas in i LOADMATCH. Detta matchar efterfrågan med utbud, lagring och svar på efterfrågan var 30:e sekund under flera år. LOADMATCH-simuleringar körs i 3 år, från 2050 till 2052 med ett 30-sekunders tidssteg.
Jämförelse av simuleringar : 2 uppsättningar av simuleringar jämförs: en med eldtegel (eldtegelfall) och den andra utan eldtegel (basfall). LOADMATCH-simuleringar genomförs i 29 regioner som täcker 149 länder.
Observationer
I alla 29 regioner, rutnätsstabilitet observerades i eldtegelfallet, liknande basfallet. Några av de viktigaste skillnaderna mellan båda metoderna (bas och eldsten) nämns i tabellen nedan. De eldstenar minskade kraven på lagringskapacitet, och de observerade variationerna är följande:
| Parameter | Procentuell skillnad = 100 % × (a − b)/b |
| Batterilagringskapacitet | 14.5% |
| Grön vätelagringsbränslecellstorlek | 3.9% |
| Vätgastankstorlek | 18.3% |
| Vätgasproduktion behövs för elnätet | 31.4% |
| Underjordisk termisk energi maximal urladdningshastighet | 1% |
| Underjordisk lagringskapacitet för värmeenergi | 27.3% |
| Onshore vind namnskylt kapacitet | 1.2% |
| Offshore vind namnskylt kapacitet | 0.54% |
| Utility PV namnskylt kapacitet | 0.54% |
| CSP-märkskyltens kapacitet | 0.84% |
Korsreferens – Tilläggsmaterial: Effekter av eldtegel för industriell processvärme
Sammantaget, maximala utsläppshastigheter och kapacitet för lagring ökade genom att lägga till eldstenar. Men på ellagring och lågtemperaturvärmelagring blev effekten den motsatta. Enkelt sagt, att lägga till eldstenar ökade den maximala utsläppshastigheten för alla lagringstyper men minskade den maximala kapaciteten för densamma.
Koldioxidavtrycket för ett hus i Japan är 38 ton, visar en studie, vilket är intressant. Jag undrar vad mitt hus har för koldioxidavtryck!
Kostnadsminskning med Firebricks
I alla 149 bedömda länder Firebrick case behövde 14.5 % mindre (32.2 TWh istället för 37.7 TWh) batterilagringskapacitet än basfallet. Den avsevärda minskningen av kostnaden för lagring av eldtegel i jämförelse med batterilagring är den främsta orsaken till lägre energikostnader i eldtegellådan.
Figuren nedan visar fördelarna med att minska kapaciteten för el- och lågtemperaturvärmelagring och generatorer med eldstenar. Det minskar också kostnaderna för övergångskapital för 149 länder till WWS från 58.24 USD till 56.97 biljoner USD (2020 USD) till 1.27 biljoner USD (2.2%).
En minskning av kapitalkostnaderna observerades dock i alla regioner, utom Kanada och Island. Detta beror på att de redan har en riklig och regelbunden tillgång på vattenkraft och vindresurser och inte kräver ett eldtegel (men det installerades fortfarande under processen).
Dessutom, det var en minskning i Utjämnade energikostnader (LCOE) av 0.15 ¢/kWh (1.7 %) och årlig energikostnad med 119 miljarder USD/år (1.78 %) i 149 länder.
Lägre LCOE-kostnader var möjliga genom att minska kostnaderna relaterade till nätet: vätgas, underjordisk värmeenergilagring, batteri och elproduktionskostnader.
Å andra sidan, lagringskapaciteten för firebrick ökar från 0TWh till 32.1 TWh. Även om lagringskapaciteten för eldtegel är 5.8 gånger större än den reducerade batterilagringskapaciteten, är kostnaden per kWh 1/10 av batterilagringen. Det indikerar tydligt att byte av batterier mot eldstenar kommer att minska kostnaderna.
Årlig genomsnittlig efterfrågan på slutanvändning BAU och WWS 2050
Enligt det uppskattade energibehovet 2050, eldtegel tenderar att öka de lägre årliga energikostnadsskillnaderna mellan brandtegel och basfall. Lägre kapitalkostnader i kombination med eldstenar bidrar till en minskning med 3.2 % vilket är från 5.9 till 5.7 år visar större skillnader i 149 länder energikostnadens återbetalningstid. Detta är i fallet när det är en 100 % övergång till WWS.
Dessutom, i 2 regioner, Sydostasien och Nya Zeeland minskar återbetalningstiden med mer än ett år. Att använda eldstenar minskar också den mark som krävs för elproducenter. Skillnaden som noterades var a minskning med 2,700 2 km0.43 (149 %) i XNUMX länder.
Den enda nackdelen med Firebricks i industriella uppvärmningsprocesser
Med så många fördelar är det enda nackdelen som noteras här det låga antalet jobbmöjligheter som skapas med det. Uppskattningsvis skapades ~0.51 % (118,000 XNUMX) färre jobb eftersom det förekom minskningar av kapaciteten för el och lågtemperaturvärmelagring tillsammans med den nödvändiga kapaciteten på generatorns namnskylt i eldtegel vs basfall.
Hur man lagrar solenergi utan batterier och eldstenar, låt oss ta reda på det!
Fallstudier: Eldstenar för industriell processvärme
A rapport publicerad 2019 undersökt av Daniel C. Stack et al. nämner prestandan hos eldtegelmotståndsuppvärmd energilagring. Teamet genomförde datorsimuleringar med eldstenar och lagrad el vid högtemperaturvärme på ca 1000-1700°C.
De arrangerade eldstenar i ett specifikt och skyddat mönster. När värme krävdes flyttades tegelstenar till en kall luftström och användes sedan för industriell verksamhet eller för att producera el med hjälp av en ångturbin. Genom detta drog forskarna slutsatsen att de inom några timmar kan ladda och ladda ur eldstenarna. De föreslog också att system med en kapacitet på 100 till 1000 megawattimmar kan användas dagligen.
Metalliska legeringar och keramiska elektriska motståndsvärmare användes för att omvandla elektricitet till värmeenergi. De kopplade tegelstenar (magnesia, kiselkarbid eller aluminiumoxid) till värmarna.
Observationer:
Kiselkarbid- och molybdendisilicidvärmare nådde de högsta temperaturerna. Men jämn värmefördelning till mitten av tegelfältet var svårt för dem.
För temperaturer upp till 1100°C är dessa värmare lämpliga men när temperaturen når 1500°C och passerar den börjar de försämras. Detta sker främst eftersom deras yttre skyddande beläggning ger vika för syrediffusion.
Förslag
För att värma eldstenar, föreslog forskare använder direkt motståndsvärme (DRH). Elektriskt ledande tegelstenar värms upp med elektrisk ström och deras temperatur stiger upp till 1800°C. Dessa eldstenar innehåller kromoxid (en ledande metalloxid) dopad med magnesium- eller nickeloxid, vilket gör att de kan uppnå höga temperaturer.
Fördelar med DRH
- Eftersom eldstenar är värmeelement i sig, visar sig DRH vara fördelaktigt utan temperaturfall mellan uppvärmning av elementet och eldstenar.
- Dessutom påverkas inte DRH av ström, frekvens eller spänning.
- Det kräver ingen dyr kraftelektronik.
- Den är lämplig för direktanslutning till en solcellspanel.
Forskare uppskattade att priset för ett 250-MWh aluminiumoxidsystem med extern uppvärmning 2018 var cirka 10.75 USD/kWh-värmelagring. Detta inkluderar följande förhållanden:
- Isolering (1.6%)
- Inneslutningskärl (7.2 %)
- Eldstenar (18.4 %)
- Transformator (52.2%)
- Fläkt (11.9 %)
- Metallisk värmetråd (8.7 %)
Till att börja med låg priset på eldstenar runt 2.12 USD/kWh, men magnesiumoxid skulle ha varit kostnadseffektivt till 1.87 USD/kWh och kiselkarbid kostade cirka 7.18 USD/kWh. Men i jämförelse var kostnaden för batterier $250-$500/kWh, vilket är cirka 10 gånger mer än kostnaden för termisk lagring per kWh.
Fallstudier
2021
Enligt data från 2021 stod elektriciteten för bara 20.6 % av den totala efterfrågade kraften i 149 länders slutanvändningssektorer. Resten kom från tidvatten eller vågenergi 0.0043 %, geotermisk 0.33 %, solenergi 3.63 %, vind 6.54 % och 15.5 % vattenkraft.
Under 2021-2022 genererade cirka 47 länder mer än 50 % av den efterfrågade elen med WWS och sju länder genererade 99.8-100 % el med WWS.
Hittills har vattenkraft dominerat WWS-produktionen men sol och vind tar upp marknaden. Om den största delen av elen i världen genereras av WWS så skulle omkring 90 % av den genereras av WWS.
2022
Cirka 17% av globala koldioxidutsläpp 2 kom från industriell värmeförbränning. Dessutom var 8.38 % från kemiska reaktioner under tillverkningsstadiet av stål, cement och andra produkter.
Slutsats
Med detta drog forskarna slutsatsen att effekterna av eldtegel för industriell processvärme i 149 länder är positiva och de är ett användbart verktyg för att lagra industriell processvärme och övergång till ren energi. Eldstenar kan lagra höga temperaturer av värme för industriella processer och sänka kostnaderna för förnybar energi. Det finns vissa osäkerheter om deras prestanda som den dagliga värmeförlusten. Men även med en värmeförlust på 5 % per dag är eldtegel fortfarande ett kostnadseffektivt alternativ.
Även om eldstenar inte adresserar industriella utsläpp, men deras utsläpp från värmeproduktion kan minskas i stor utsträckning. Därför krävs policyer och incitament för att ta itu med klimatförändringar, energisäkerhet och luftföroreningar för att främja hållbara potentiella lösningar.
Källa: Effekter av eldtegel för industriell processvärme
Källa: Kompletterande information
