Emisyon olmadan ısıtma üretimi için yollar bulmamız gerektiği gerçeğini ele almak önemlidir. Rüzgar ve güneş teknolojileri faydalıdır, ancak çıktıları kullanılabilirliklerine göre değişir ve ayrıca harici depolama sistemlerine ihtiyaç duyarlar. Ancak, yakın zamanda araştırmacılar bunun için sürdürülebilir bir alternatif keşfettiler, ateş tuğlaları. Araştırmacılar, 149 ülkede ateş tuğlalarının endüstriyel işlem ısısı için olumlu etkilerini keşfettiler.
Evet, enerjiyi depolamanın temel sorununu pillerin maliyetinin 1/10'undan daha düşük bir maliyetle çözdüler. 149 ülkede bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdikten sonra, ateş tuğlalarının yenilenebilir enerji için geçiş maliyetlerini azaltmak için dikkate değer bir araç olduğu ortaya çıktı.
149 Ülkede Endüstriyel Proses Isısı İçin Ateş Tuğlasının Etkileri
Çalışmanın amacı : Endüstriyel proses ısısının depolanmasında ateş tuğlalarının kullanımının 149 ülkede enerji maliyeti ve elektrik şebekelerinin istikrarı üzerindeki etkisini analiz etmektir.
Ülkeler, 2050 yılına kadar belirlenen hedeflere ulaşabilmek için ısı ve elektriğin tamamının WWS (rüzgar, su, güneş) kaynaklarından elde edilmesini hedefliyor.
Çalışmada Benimsenen Süreçler
Araştırmacılar, ateş tuğlalarını ısıtmak için elektrik dirençli ısıtma yöntemini kullandılar . Bu ısı, endüstriyel süreçler için ihtiyaç duyulana kadar depolanmış olarak kalacaktır. Gözlemlenen sonuçlar, ateş tuğlaları kullanılmadan yapılan simülasyonlarla karşılaştırıldı.
Temiz enerji kaynaklarına geçiş, dört amacın tamamına hizmet etmelidir. Konut, ticari, endüstriyel ve diğerleri dahil olmak üzere tüm enerji sektörlerinde elektrifikasyon yapılmalıdır. Güneş ve jeotermal enerji, binaların ve endüstrilerin ısıtılmasında kullanılacağından, elektrikle beslenmeyeceklerdir. Mevcut sistemi değiştirmek için rüzgar, su ve güneş enerjisi (WWS) elektrik jeneratörleriyle birleştirilmelidir.
Isı ve Endüstriler: Gerekli Sıcaklık
Endüstriler çeşitli prosesler için farklı sıcaklıklara ve ısı miktarlarına ihtiyaç duyarlar.
- Sıradan çimento ve kireç üretimi – 1,300–1,800° C
- Erimiş silika, cam, geleneksel demir ve çelik üretimi – 1,000–1,500° C
- İnorganik mineral üretimi – 150–500° C
- Alkol ve temel kimyasal üretimi – 100–300° C
- Kağıt, mukavva ve kağıt hamuru fabrikaları – <100° C
Ancak IEA, endüstriyel proseslerde şebeke elektriğini dikkate almamış ancak buhar türbinlerinde >200°C, termofotovoltaik hücrelerde ise yaklaşık 1,000-2,000°C sıcaklığa ihtiyaç duyulmaktadır.
Genellikle, kömür, fosil yakıt, petrol veya biyokütlenin sürekli yanması ile büyük miktarda ısı üretilir. Ayrıca, elektrik arkı, elektron ışınları ve elektrik indüksiyonu olan elektrik dirençli fırınları ve kazanları çalıştırmayı da içerir, ancak aynı zamanda dielektrik ısıtıcılar ve elektrikli ısı pompaları da kullanır.
Sürekli düşük ila yüksek sıcaklıktaki endüstriyel proses ısısı için elektrik depolamada yüksek maliyetli BS ve GHS yerine, değişken WWS elektriğinin kullanılması tercih edilir. Bu, ısıyı ateş tuğlalarında depolamak için mevcut olduğu anda kullanılabilir.
Depolanan elektrik, ateş tuğlalarının metalik elektrik dirençli ısıtıcılara bağlanması veya ateş tuğlalarının doğrudan dirençli ısıtılması (DRH) yoluyla ısıya dönüştürülebilir. Ateş tuğlası ısı depoları, daha fazla ısı kaybını azaltmak için daha yalıtımlı başka bir ateş tuğlası türü ve ardından bir çelik tabakasıyla çevrilidir. Veya tuğlaları çevreleyen kalın bir çelik kap bulunur.
Isı Depolayan Ateş Tuğlalarının Özellikleri
- Şamot tuğlaları, kanallar vasıtasıyla hava akımına izin verecek şekilde düzenlenerek etkili bir şekilde kullanılabilir.
- Ateş tuğlaları, ısı eşanjörüne ihtiyaç duyulmaması ve ucuz ısı depolama malzemelerinden yapılabilmesi nedeniyle maliyet açısından avantajlıdır.
- Öz ısıları ve yoğunlukları vardır ve bu nedenle çok az sıcaklık artışıyla çok fazla enerjiyi emebilirler.
- Erime noktaları yüksektir.
İşlenmiş ısı, ihtiyaç duyulduğunda aşağıdaki yöntemlerden biriyle ateş tuğlalarından çekilir.
- Tuğlalardaki kanallardan ortam veya geri dönüştürülmüş düşük ila yüksek sıcaklıktaki havanın geçirilmesiyle yapılır. Kızgın tuğlalardan gelen doğrudan kızılötesi radyasyon yoluyla.
- Refrakter tuğlalara benzer şekilde, bunlar da iyi yalıtım özelliklerine ve yüksek erime noktalarına sahiptir. Yüksek erime noktası, yüksek sıcaklıklara dayanmalarını ve hızlı ısı kaybını önlemelerini sağlar.
İdeal Ateş Tuğlalarının Isı Depolama Gereksinimleri
Yalıtım amacıyla kullanılacaksa, ateş tuğlalarının yüksek sıcaklıklara dayanıklı ancak düşük ısı iletkenliğine sahip olması gerekir. Silika düşük ısı iletkenliğine (0.3 W/mK) sahip olduğundan, genellikle yalıtım amaçlı ateş tuğlalarında kullanılır.
Alümina silikat ayrıca yaygın yalıtım ateş tuğlası türlerinde (çoğunlukla alümina ve kum) kullanılır. Ayrıca kalsiyum silikat tuğlalarına (tercihen kum ve kireç taşı) da dahildir.
Ateş Tuğlalarının Uygulamaları
İnsanlar uzun zamandır ısı depolama amacıyla, ısı geri kazanım cihazlarında ve cam ile çelik üretiminde ateş tuğlaları kullanmaktadır.
Rejeneratörler nelerdir?
Bunlar, yüksek sıcaklıktaki baca gazından ısı alan ısı değiştiricilerdir. Daha sonra ısıyı 20-30 dakika depolarlar ve daha sonra bu ısıyı yanma için havayı önceden ısıtmak için kullanırlar.
Kısa Bilgi – Çin, 2018 öncesinde ticari kompleksler ve bölgesel ısıtma projeleri için 10 MW ısıyı ateş tuğlalarında depoluyordu .
Son zamanlarda , en yüksek binaların yerçekimi sayesinde yeşil enerji depolarına dönüşebileceği bildirildi.
Potansiyel Ateş Tuğlası Seçenekleri
Ateş tuğlalarına benzer bir diğer malzeme ise, tarihsel olarak çeşitli amaçlarla kullanılan refrakter malzemelerdir .
- Erken Tunç Çağı'nda (M.Ö. 4,000-3,000) ilkel fırınların iç yüzeylerini kaplamak için.
- Demir Çağı'nda (M.Ö. 1,500-500) demir yapım fırınları yapmak için.
- 1600'lü yılların başından itibaren erimiş cam için pota olarak kullanılır.
- 1850'li yılların ortalarından itibaren çelik üretim fırınlarında.
Ateşe dayanıklı tuğlalar yüksek oranda alümina ve silika içerir . Ayrıca eser miktarda magnezyum oksit (MgO), kalsiyum oksit (CaO) ve demir oksit (Fe2O3) de bulunur. 1800'lü yıllarda Şili'de bakır eritme tesislerinin iç kaplamasında kullanılıyordu. Ancak günümüzde bu düşük maliyetli seçenekler krom oksit ve/veya mullit (alüminyum silikat minerali) ile de üretilmektedir. Ateşe dayanıklı tuğla karışımları ayrıca zirkonya (ZrO2), silisyum karbür (SiC) ve zirkon (ZrSiO4) de içerebilir.
1. Grafit (saf düşük dereceli katı karbon)
Bu da potansiyel bir seçenektir ve 2,400°C'ye kadar ısıtılabilir . Ancak, bu teknolojinin maliyet etkinliğini korumak için çeşitli zorlukları vardır. En büyük zorluk, grafitin yavaş buharlaşmasıdır; ayrıca, radyant ısıtma kullandığı için ısı transfer yeteneği sınırlıdır, çünkü birçok uygulama için ek ısı transferi gerekebilir.
Ateş tuğlalarının sıcaklığı, ısıtılan malzemenin sıcaklığıyla aynı değildir. Çünkü malzemelerin sıcaklığı, diğer ateş tuğlalarının ve malzemelerin özgül kütlelerine, ısılarına ve ikisi arasındaki ısı kaybına bağlıdır.
Örneğin : Diyelim ki grafit ateş tuğlaları bir malzemeye 1500°C ısı sağlıyor. Burada, malzemenin hem özelliklerini korumak hem de ısı kaybını önlemek için grafitin 1800-2000°C'ye kadar ısıtılması gerekiyor.
Endüstriyel Proses Isı Çalışması İçin Ateş Tuğlalarında Kullanılan Yöntemler
149 ülkede ateş tuğlalarının endüstriyel proses ısısına olan etkilerinin incelenmesi aşağıda belirtilen 3 tip modeli içermektedir.
Yöntem #1 Elektronik Tablo Modeli
Mevcut BAU talebine dayalı olarak 2050 İş Olağan Durumu (BAU) ve rüzgar, su ve güneş (WWS) enerji talebini tahmin etmek için kullanılır. Ayrıca WWS jeneratörlerinin 2050 WWS talebini karşılamak için ihtiyaç duyduğu isim plakası kapasitelerini hesaplamak için de kullanılır.
Yöntem #2 küresel hava-iklim-hava kirliliği
E-tablo modelinden elde edilen sonuçlar, küresel bir hava-iklim-hava kirliliği modeli olan GATOR-GCMOM'a girilir. Bu model, güneş ve rüzgar elektrik arzını, güneş ısısı ve dalga elektrik arzıyla birlikte tahmin eder. Ayrıca, birkaç yıl boyunca küresel olarak her 30 saniyede bir bina soğutma ve ısıtma ihtiyaçlarını tahmin eder.
Bu tahminler, jeneratör isim plakası kapasitesinden gelen girdilerle birlikte elektronik tablo modelinde güneş, hava ve rüzgar sıcaklıklarına ilişkindir.
Yöntem #3 LOADMATCH
GATOR-GCMOM'dan gelen çıktı LOADMATCH'e beslenir. Bu, talebi arz, depolama ve talebe yanıtla eşleştirir ve her 30 saniyede birden fazla yıl boyunca gerçekleşir. LOADMATCH simülasyonları 3 saniyelik zaman adımıyla 2050'den 2052'ye kadar 30 yıl boyunca çalıştırılır.
Simülasyonların Karşılaştırılması : 2 simülasyon seti karşılaştırılır: biri ateş tuğlalarıyla (ateş tuğlası durumu) ve diğeri ateş tuğlası olmadan (temel durum). LOADMATCH simülasyonları 29 ülkeyi kapsayan 149 bölgede gerçekleştirilir.
Gözlemler
29 bölgenin tamamında, temel duruma benzer şekilde, ateş tuğlası durumunda da şebeke kararlılığı gözlemlenmiştir . Her iki yöntem (temel ve ateş tuğlası) arasındaki bazı önemli farklılıklar aşağıdaki tabloda belirtilmiştir. Ateş tuğlaları depolama kapasitesi gereksinimlerini azaltmıştır ve gözlemlenen farklılıklar aşağıdaki gibidir:
| Parametre | Yüzde farkı = %100 × (a − b)/b |
| Pil depolama kapasitesi | 14.5% |
| Yeşil hidrojen depolama yakıt hücresi boyutu | 3.9% |
| Hidrojen tankı boyutu | 18.3% |
| Şebeke elektriği için hidrojen üretimi gerekiyor | 31.4% |
| Yeraltı termal enerjisi maksimum deşarj oranı | 1% |
| Yeraltı termal enerji depolama kapasitesi | 27.3% |
| Kara rüzgarı isim levhası kapasitesi | 1.2% |
| Açık deniz rüzgarı isim plakası kapasitesi | 0.54% |
| Faydalı PV isim plakası kapasitesi | 0.54% |
| CSP isim plakası kapasitesi | 0.84% |
Çapraz Referans – Ek Materyal: Endüstriyel Proses Isısı İçin Ateş Tuğlalarının Etkileri
Genel olarak, ateş tuğlalarının eklenmesiyle maksimum deşarj oranları ve depolama kapasiteleri arttı . Ancak elektrikli depolama ve düşük sıcaklıklı ısı depolamada etki tam tersi oldu. Basitçe söylemek gerekirse, ateş tuğlalarının eklenmesi tüm depolama türleri için maksimum deşarj oranını artırdı, ancak aynı depolama türleri için maksimum kapasiteyi azalttı.
Japonya'da bir evin karbon ayak izinin 38 ton olduğu bir araştırmaya göre, bu oldukça ilginç. Benim evimin karbon ayak izinin ne kadar olduğunu merak ediyorum!
Ateş Tuğlalarıyla Maliyet Azaltma
Değerlendirilen 149 ülkenin tamamında, ateş tuğlası sisteminin temel sisteme göre %14.5 daha az (37.7 TWh yerine 32.2 TWh) pil depolama kapasitesine ihtiyaç duyduğu görüldü. Ateş tuğlası sisteminin pil depolamasına kıyasla maliyetindeki önemli düşüş, ateş tuğlası sistemindeki daha düşük enerji maliyetlerinin ana nedenidir.
Aşağıdaki şekil, elektrik ve düşük sıcaklıklı ısı depolama ve jeneratör kapasitelerinin ateş tuğlalarıyla azaltılmasının faydalarını göstermektedir. Ayrıca 149 ülkenin WWS'ye geçiş sermaye maliyetlerini 58.24 trilyon dolardan 56.97 trilyon dolara (2020 ABD doları) düşürerek 1.27 trilyon dolara (%2.2) düşürmektedir.
Ancak, Kanada ve İzlanda hariç tüm bölgelerde sermaye maliyetlerinde bir düşüş gözlemlendi. Bunun nedeni, zaten bol ve düzenli bir hidroelektrik ve rüzgar kaynağına sahip olmaları ve bir ateş tuğlası yaklaşımına ihtiyaç duymamalarıdır (ancak süreç sırasında yine de monte edilmiştir).
Dahası, bir azalma oldu içinde Dengelenmiş Enerji Maliyeti (LCOE) tarafından 0.15 ülkede 1.7 ¢/kWh (%119) ve yıllık enerji maliyeti 1.78 milyar dolar/yıl (%149).
Şebekeyle ilgili maliyetlerin (şebeke hidrojeni, yer altı termal enerji depolaması, batarya ve elektrik üretim maliyetleri) azaltılmasıyla LCOE maliyetlerinin düşürülmesi mümkün oldu.
Öte yandan, ateş tuğlası depolama kapasitesi 0 TWh'den 32.1 TWh'ye yükseliyor . Ateş tuğlası depolama kapasitesi, azaltılmış pil depolama kapasitesinden 5.8 kat daha fazla olmasına rağmen, kWh başına maliyeti pil depolamanın 1/10'u kadardır. Bu durum, pillerin ateş tuğlalarıyla değiştirilmesinin maliyetleri düşüreceğini açıkça göstermektedir.
Yıllık Ortalama Son Kullanım Talebi BAU ve WWS 2050
2050 yılındaki tahmini enerji talebine göre, ateş tuğlaları , ateş tuğlaları ile temel senaryolar arasındaki yıllık enerji maliyeti farklarını azaltma eğilimindedir . Daha düşük sermaye maliyetleri ve ateş tuğlaları, 149 ülkenin enerji maliyeti geri ödeme süresinde %3.2'lik bir azalmaya (5.9 yıldan 5.7 yıla) katkıda bulunarak daha büyük farklar göstermektedir . Bu, %100 WWS'ye geçiş durumunda geçerlidir.
Ayrıca, Güneydoğu Asya ve Yeni Zelanda olmak üzere 2 bölgede geri ödeme süresi bir yıldan fazla azalmaktadır . Ateş tuğlası kullanımı ayrıca elektrik jeneratörleri için gereken arazi miktarını da azaltmaktadır. 149 ülkede kaydedilen fark, 2,700 km²'lik (%0.43) bir azalmadır.
Ateş Tuğlalarının Tek Dezavantajı Endüstriyel Isıtma Proseslerinde
Pek çok avantajı olmasına rağmen, burada belirtilen tek dezavantaj, yaratılan iş fırsatlarının düşük olmasıdır. Tahmini olarak, tuğla esaslı yapılarda elektrik ve düşük sıcaklıkta ısı depolama kapasitelerinde ve gerekli jeneratör nominal kapasitelerinde azalma olduğu için, temel durumlara kıyasla yaklaşık %0.51 (118,000) daha az iş yaratılmıştır.
Pil ve ateş tuğlası kullanmadan güneş enerjisini nasıl depolayabiliriz , gelin birlikte öğrenelim!
Durum çalışmaları: Endüstriyel Proses Isısı için Ateş Tuğlaları
Daniel C. Stack ve diğerlerinin 2019'da yayınladığı bir raporda , ateş tuğlasıyla ısıtılan enerji depolama sistemlerinin performansı ele alınıyor. Ekip, ateş tuğlalarıyla bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi ve yaklaşık 1000-1700°C yüksek sıcaklıkta elektrik depoladı.
Ateş tuğlalarını belirli ve korumalı bir düzende düzenlediler. Isı gerektiğinde, tuğlalar soğuk bir hava akımına taşındı ve daha sonra endüstriyel işlemlerde veya bir buhar türbini kullanarak elektrik üretmek için kullanıldı. Araştırmacılar, bunun aracılığıyla, ateş tuğlalarını saatler içinde şarj edip boşaltabilecekleri sonucuna vardılar. Ayrıca, 100 ila 1000 megavat-saat kapasiteli sistemlerin günlük olarak kullanılabileceğini öne sürdüler.
Elektriği ısı enerjisine dönüştürmek için metalik alaşımlı ve seramik elektrikli direnç ısıtıcıları kullanıldı. Isıtıcılara tuğlalar (magnezya, silisyum karbür veya alümina) bağlandı.
Gözlemler :
Silisyum karbür ve molibden disilisit ısıtıcılar en yüksek sıcaklıklara ulaştı. Ancak tuğla dizisinin merkezine ısı dağıtımı bile onlar için zordu.
1100° C'ye kadar sıcaklıklar için bu ısıtıcılar uygundur ancak sıcaklık 1500° C'ye ulaştığında ve onu geçtiğinde bozulmaya başlarlar. Bu çoğunlukla dış koruyucu kaplamalarının oksijen difüzyonuna yol açmasından kaynaklanır.
Öneriler
Araştırmacılar, ateş tuğlalarını ısıtmak için doğrudan dirençli ısıtma (DRH ) yöntemini önerdiler. Elektrik iletkenliğine sahip ateş tuğlaları elektrik akımıyla ısıtılır ve sıcaklıkları 1800°C'ye kadar yükselir. Bu ateş tuğlaları, yüksek sıcaklıklara ulaşmalarını sağlayan, magnezyum veya nikel oksit ile katkılanmış krom oksit (iletken bir metal oksit) içerir.
DRH'nin Avantajları
- Ateş tuğlaları da birer ısıtma elemanı olduğundan, ısıtma elemanı ile ateş tuğlaları arasında sıcaklık düşüşü olmaması nedeniyle DRH avantajlıdır.
- Ayrıca DRH akım, frekans veya voltajdan etkilenmez.
- Pahalı güç elektroniğine ihtiyaç duymaz.
- Fotovoltaik diziye doğrudan bağlantıya uygundur.
Araştırmacılar, 250'de harici ısıtmalı 2018-MWh'lik bir alümina ateş tuğlası sisteminin fiyatının yaklaşık 10.75$/kWh-termal-depolama olduğunu tahmin ettiler. Bu, aşağıdaki oranları içerir:
- Yalıtım (1.6%)
- Muhafaza kabı (%7.2)
- Ateş tuğlaları (%18.4)
- Transformatör (52.2%)
- Üfleyici (11.9%)
- Metalik ısıtıcı teli (%8.7)
Başlangıçta, ateş tuğlalarının fiyatı kWh başına 2.12 dolardı, ancak magnezyum oksit kWh başına 1.87 dolar ve silisyum karbür kWh başına yaklaşık 7.18 dolar maliyetle maliyet açısından uygun olurdu. Ancak karşılaştırıldığında, pillerin maliyeti kWh başına termal depolama maliyetinden yaklaşık 250 kat daha fazla olan kWh başına 500-10 dolar idi.
Durum çalışmaları
2021
2021 verilerine göre, elektrik 20.6 ülkenin nihai kullanım sektörlerinde toplam talep edilen gücün sadece %149'sını oluşturuyordu. Geriye kalan katkılar gelgit veya dalga enerjisinden %0.0043, jeotermalden %0.33, güneşten %3.63, rüzgardan %6.54 ve hidrodan %15.5 idi.
2021-2022 yıllarında yaklaşık 47 ülke talep edilen elektriğin %50'sinden fazlasını WWS ile üretirken, yedi ülke ise %99.8-100 oranında elektrik üretti.
Şimdiye kadar hidroelektrik WWS üretimine hakimdi ancak güneş ve rüzgar pazarı ele geçiriyor. Eğer dünyadaki elektriğin büyük kısmı WWS tarafından üretiliyorsa, bunun yaklaşık %90'ı WWS tarafından üretilecektir.
2022
2022 yılında küresel CO2 emisyonlarının yaklaşık %17'si endüstriyel ısı yakımından kaynaklanmıştır. Ayrıca, %8.38'i çelik, çimento ve diğer ürünlerin üretim aşamasındaki kimyasal reaksiyonlardan kaynaklanmıştır.
Sonuç
Araştırmacılar bununla birlikte, 149 ülkede ateş tuğlalarının endüstriyel proses ısısı üzerindeki etkilerinin olumlu olduğu ve endüstriyel proses ısısını depolamak ve temiz enerjiye geçiş yapmak için kullanışlı bir araç olduğu sonucuna vardılar. Ateş tuğlaları endüstriyel prosesler için yüksek sıcaklıklarda ısı depolayabilir ve yenilenebilir enerjinin maliyetini düşürebilir. Günlük ısı kaybı oranı gibi performansları hakkında bazı belirsizlikler vardır. Ancak %5 günlük ısı kaybı oranıyla bile ateş tuğlaları hala uygun maliyetli bir seçenektir.
Ateş tuğlaları endüstriyel emisyonları ele almasa da, ısı üretiminden kaynaklanan emisyonları büyük ölçüde azaltılabilir. Bu nedenle, sürdürülebilir potansiyel çözümleri teşvik etmek için iklim değişikliği, enerji güvenliği ve hava kirliliğini ele alan politikalar ve teşvikler gereklidir.
Kaynak : Endüstriyel proses ısısı için ateş tuğlalarının etkileri
Kaynak: Ek Bilgiler
