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
Studiens mål : Att analysera effekten av användningen av eldfasta tegelstenar för lagring av industriell processvärme på energikostnaden och stabiliteten i 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 använt elektrisk motståndsvärme till elektricitet för att värma upp eldfasta tegelstenar . Denna värme lagras tills den behövs för industriella processer. De observerade resultaten jämförs med simuleringar utan eldfasta tegelstenar.
Övergången till rena energikällor måste tjäna alla fyra syften. Elektrifiering måste ske inom alla energisektorer, inklusive bostäder, kommersiella sektorer, industrisektorer och andra. Solenergi och geotermisk energi kommer att användas för att värma upp byggnader och industrier, vilket är anledningen till att de inte kommer att elektrifieras. För att ersätta det nuvarande systemet måste vindkraft, vatten och solenergi kombineras med elgeneratorer.
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 dyra tegelstenar och värmeväxlare för att lagra el för kontinuerlig processvärme vid låg till hög temperatur är det att föredra att använda variabel vatten- och vattenledningselektricitet. Denna kan användas närhelst den är tillgänglig för att lagra värme i eldfasta tegelstenar.
Den lagrade elektriciteten kan omvandlas till värme genom att ansluta eldfasta tegelstenar till metalliska elektriska motståndsvärmare eller direkt motståndsvärme (DRH) av eldfasta tegelstenar. Värmelagring i eldfasta tegelstenar omges av en annan typ av eldfast tegelsten 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 tas från eldfasta tegelstenar vid behov med 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 eldfast tegel används för isolering måste det tåla höga temperaturer men ha låg värmeledningsförmåga. Eftersom kiseldioxid har låg värmeledningsförmåga (0.3 W/mK) används det vanligtvis för att isolera eldfast tegel.
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 eldfasta tegelstenar för värmelagring i värmeåtergeneratorer för att tillverka 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 lagrade 10 MW värme i eldfasta tegelstenar för kommersiella komplex och fjärrvärmeprojekt före 2018.
Nyligen rapporterades det att högsta byggnader skulle kunna förvandlas till gröna energilager med hjälp av gravitationen.
Potentiella Firebrick-alternativ
Ett annat material som liknar eldfasta tegelstenar 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.
Eldfasta tegelstenar innehåller höga andelar aluminiumoxid och kiseldioxid. De innehåller också spår av magnesia (MgO), kalciumoxid (CaO) och järnoxid (Fe2O3). Under 1800-talet i Chile användes dessa för att bekläda kopparsmältverk. Idag tillverkas dock dessa lågkostnadsalternativ även med kromoxid och/eller mullit (aluminiumsilikatmineral). Men eldfasta tegelblandningar kan också innehålla zirkoniumoxid (ZrO2), kiselkarbid (SIC) och zirkon (ZrSiO4).
1. Grafit (rent lågkvalitativt fast kol)
Det är ett annat potentiellt alternativ och kan värmas upp till 2 400 °C . Denna teknik har dock olika utmaningar för att hålla den kostnadseffektiv. Den största utmaningen är den långsamma förångningen av grafit, då den har begränsad värmeöverföringsförmåga eftersom den använder strålningsvärme, eftersom det för många tillämpningar kan kräva ytterligare värmeöverföring.
Temperaturen på eldfasta tegelstenar är inte densamma som temperaturen på det uppvärmda materialet. Materialens temperatur beror på specifika massor och värme från andra eldfasta tegelstenar och material, samt värmeförlusten mellan de två.
Till exempel : Anta att grafitstenar tillför 1500° C värme till ett material. Här behöver grafiten värmas upp till 1800-2000° C för både materialets egenskaper och värmeförlust.
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 observerades nätstabilitet i fallet med eldfast tegel , liknande basfallet. Några av de viktigaste skillnaderna mellan de båda metoderna (bas och eldfast tegel) nämns i tabellen nedan. De eldfasta tegelstenarna 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 – kompletterande material: Effekter av eldfasta tegelstenar för industriell processvärme
Sammantaget ökade maximala urladdningshastigheter och lagringskapacitet genom att tillsätta eldfasta tegelstenar . Men för elektrisk lagring och lågtemperaturvärmelagring var effekten den motsatta. Enkelt uttryckt ökade tillsatsen av eldfasta tegelstenar den maximala urladdningshastigheten för alla lagringstyper men minskade den maximala kapaciteten för desamma.
Koldioxidavtrycket för ett hus i Japan är 38 ton, visar en studie, vilket är intressant. Jag undrar vad koldioxidavtrycket för mitt hus är!
Kostnadsminskning med Firebricks
I alla 149 länder som bedömdes behövde fallet med eldfast tegel 14.5 % mindre (32.2 TWh istället för 37.7 TWh) batterilagringskapacitet än basfallet. Den avsevärda minskningen av kostnaden för lagring i eldfast tegel jämfört med batterilagring är den främsta anledningen till lägre energikostnader i fallet med eldfast tegel.
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 ökar lagringskapaciteten för eldfast tegel från 0 TWh till 32.1 TWh . Även om lagringskapaciteten för eldfast tegel är 5.8 gånger större än den reducerade batterilagringskapaciteten, är kostnaden per kWh 1/10 av batterilagring. Det indikerar tydligt att att byta ut batterier mot eldfast tegel kommer att minska kostnaderna.
Årlig genomsnittlig efterfrågan på slutanvändning BAU och WWS 2050
Enligt den uppskattade energiefterfrågan år 2050 tenderar eldfast tegel att öka skillnaderna i lägre årliga energikostnader mellan eldfast tegel och basfall. Lägre kapitalkostnader i kombination med eldfast tegel bidrar till en minskning med 3.2 %, vilket är från 5.9 till 5.7 år, vilket visar större skillnader i återbetalningstid för energikostnader i 149 länder . Detta gäller i fallet med en 100 % övergång till vatten och vatten.
Dessutom minskar återbetalningstiden med mer än ett år i två regioner, Sydostasien och Nya Zeeland. Användningen av eldfasta tegelstenar minskar också den mark som krävs för elgeneratorer. Skillnaden som noterades var en minskning med 2 2,700 km2 (0.43 %) i 149 länder.
Den enda nackdelen med Firebricks i industriella uppvärmningsprocesser
Med så många fördelar är den enda nackdelen som noteras här det låga antalet jobb som skapas med det. Uppskattningsvis skapades cirka 0.51 % (118 000) färre jobb eftersom det skedde minskningar av kapaciteten för el och lågtemperaturvärmelagring tillsammans med den nödvändiga generatorkapaciteten enligt märkskylten i eldfast tegel jämfört med basfall.
Hur man lagrar solenergi utan batterier och eldfasta tegelstenar, låt oss ta reda på det!
Kund-case: Eldstenar för industriell processvärme
En rapport publicerad 2019, undersökt av Daniel C. Stack et al., nämner prestandan hos energilagring med motståndsvärme från eldfasta tegelstenar. Teamet genomförde datorsimuleringar med eldfasta tegelstenar och lagrade elektricitet vid hög temperatur på cirka 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 upp eldfasta tegelstenar föreslog forskare att man skulle använda direkt motståndsvärme (DRH ). Elektriskt ledande eldfasta tegelstenar värms upp med elektrisk ström och deras temperatur stiger upp till 1800 °C. Dessa eldfasta tegelstenar 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.
Kund-case
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
Omkring 17 % av de globala koldioxidutsläppen år 2022 kom från industriell värmeförbränning. Dessutom kom 8.38 % från kemiska reaktioner under tillverkningsfasen 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 eldfast tegel för industriell processvärme
Källa: Tilläggsinformation
