我们必须找到一种不产生排放的供热生产方法。风能和太阳能技术很有用，但它们的产出取决于它们的可用性，而且它们需要外部存储系统。然而，最近研究人员发现了一种可持续的替代品——耐火砖。研究人员在 149 个国家发现了耐火砖对工业过程热的积极影响。
是的，他们解决了主要问题，即以不到电池成本十分之一的成本储存能源。在 1 个国家进行计算机模拟后，耐火砖被证明是降低可再生能源转型成本的出色工具。
149 个国家的耐火砖对工业工艺热的影响
研究目的：分析耐火砖用于储存工业过程热对 149 个国家能源成本和电网稳定性的影响。
为了在 2050 年实现这些目标，各国都致力于 100% 利用 WWS（风能、水能、太阳能）能源来产生热能和电力。
研究采用的流程
研究人员利用电阻加热技术，通过电加热来加热耐火砖。这些热量将被储存起来，以备工业生产之需。研究人员将观察到的结果与未使用耐火砖的模拟结果进行了比较。
向清洁能源转型需要兼顾所有四个目标。所有能源领域，包括住宅、商业、工业等，都需要实现电气化。太阳能和地热能将用于建筑物和工业建筑的供暖，因此它们不会实现电气化。为了取代现有系统，风能、水能和太阳能（WWS）需要与发电机相结合。
热量和工业：所需温度
各个行业对于不同过程的温度和热量的要求各不相同。
- 普通水泥和石灰生产 – 1,300–1,800°C
- 熔融石英、玻璃、传统钢铁生产 – 1,000–1,500°C
- 无机矿物生产 – 150–500°C
- 酒精和基础化学品制造 – 100–300° C
- 纸张、纸板和纸浆厂 – <100° C
然而，国际能源署表示，电网电力并不包含在工业过程中，但对于蒸汽轮机来说，它需要的温度要达到 200°C 以上，而对于热光伏电池来说，该行业需要的温度要达到 1,000-2,000°C 左右。
一般情况下，大量热量是通过煤、化石燃料、石油或生物质的连续燃烧产生的。它还包括运行电阻炉和锅炉，这些炉子和锅炉是电弧、电子束和电感应，但它也使用介电加热器和电热泵。
为了避免使用成本高昂的BS和GHS储能装置来为持续的低温到高温工业过程供热，最好使用可变WWS电力。WWS电力可以根据需要随时用于在耐火砖中储存热量。
储存的电能可以通过将耐火砖连接到金属电阻加热器或直接电阻加热（DRH）装置来转化为热能。耐火砖储热装置外层包裹着一层隔热性能更好的耐火砖，再外层覆盖一层钢板，以减少进一步的热量损失。或者，也可以使用厚钢容器包裹耐火砖。
蓄热耐火砖的特点
- 通过按照允许空气流通的通道排列，可以有效地利用耐火砖。
- 耐火砖具有成本效益，因为不需要热交换器，并且可以由廉价的储热材料制成。
- 它们具有特定的热度和密度，因此可以吸收大量能量而温度几乎不升高。
- 它们的熔点很高。
需要时，可以通过以下两种方法之一从耐火砖中提取处理后的热量。
- 其原理是让周围的空气或循环利用的低温至高温空气通过砖块中的通道，通过炽热的砖块直接发出红外辐射。
- 与耐火砖类似，它们也具有良好的绝缘性能和高熔点。高熔点使它们能够承受高温并防止快速散热。
理想耐火砖蓄热要求
耐火砖若用作隔热材料，必须能承受高温，但导热系数要低。由于二氧化硅的导热系数低（0.3 W/mK），因此通常用于制造隔热耐火砖。
常见隔热耐火砖（主要是氧化铝和沙子）中也使用硅酸铝。硅酸钙砖（最好是沙子和石灰石）中也含有硅酸铝。
耐火砖的应用
长期以来，人类一直使用耐火砖在蓄热器中储存热量，用于制造玻璃和钢铁。
什么是再生器？
这些是热交换器，它们从高温烟气中接收热量。它们将热量储存 20 至 30 分钟，然后利用这些热量预热空气以供燃烧。
简要事实——2018 年之前，中国已在耐火砖中储存了 10 兆瓦的热量，用于商业综合体和区域供热项目。
最近有报道称，最高的建筑物可以利用重力变成绿色能源仓库。
潜在的耐火砖选择
与耐火砖类似的还有一种材料是耐火材料，历史上曾用于各种用途。
- 在青铜时代早期（公元前 4,000 - 3,000 年），用于排列原始窑炉。
- 在铁器时代（公元前 1,500 - 500 年），制造炼铁炉。
- 自十七世纪初以来，坩埚中便用于熔融玻璃。
- 自 1850 世纪 XNUMX 年代中期开始在炼钢炉中使用。
耐火砖含有高比例的氧化铝和二氧化硅，也含有微量的氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）和氧化铁（Fe₂O₃）。19世纪，智利曾用这种耐火砖来衬砌炼铜厂。如今，这种低成本的耐火砖也常添加氧化铬和/或莫来石（一种铝硅酸盐矿物）。此外，耐火砖混合物中还可能含有氧化锆（ZrO₂）、碳化硅（SiC）和锆石（ZrSiO₄）。
1.石墨（纯低品位固体碳）
这是另一种潜在选择，最高可加热至2,400°C。然而，这项技术在成本效益方面面临诸多挑战。主要挑战在于石墨汽化速度慢，且由于采用辐射加热，其传热能力有限，而许多应用可能需要额外的热传递。
耐火砖的温度与被加热材料的温度并不相同。因为材料的温度取决于其他耐火砖和材料的比重和热量，以及两者之间的热损失。
例如：假设石墨耐火砖向某种材料提供 1500°C 的热量。在这种情况下，为了保证材料的性能并减少热量损失，石墨需要加热到 1800-2000°C。
工业过程热研究用耐火砖涉及的方法
对149个国家的工业过程加热用耐火砖的研究效果涉及以下3种类型的模型。
方法＃1 电子表格模型
它用于根据当前 BAU 需求估算 2050 年正常情况 (BAU) 和风能、水能和太阳能 (WWS) 能源需求。它还用于计算 WWS 发电机满足 2050 WWS 需求所需的额定容量。
方法二：全球天气-气候-空气污染
电子表格模型的结果被输入到 GATOR-GCMOM，这是一个全球天气-气候-空气污染模型。该模型预测太阳能和风能电力供应以及太阳能热能和波浪能电力供应。它还每 30 秒预测一次全球建筑物制冷和供暖需求，持续数年。
这些对太阳、空气和风温度的预测以及电子表格模型中发电机铭牌容量的输入。
方法 #3 LOADMATCH
GATOR-GCMOM 的输出被输入到 LOADMATCH。这将需求与供应、存储和对需求的响应进行匹配，持续多年，每 30 秒一次。LOADMATCH 模拟运行了 3 年，从 2050 年到 2052 年，时间步长为 30 秒。
模拟比较 ：比较了两组模拟：一组有耐火砖（耐火砖案例），另一组没有耐火砖（基准案例）。LOADMATCH 模拟在 2 个地区开展，覆盖 29 个国家。
观察
在所有29个区域中，采用耐火砖方案均观察到了与基准方案类似的电网稳定性。下表列出了两种方法（基准方案和耐火砖方案）之间的一些主要差异。耐火砖降低了储能容量需求，观察到的变化如下：
| 参数 | 百分比差异 = 100% × (a − b)/b |
| 电池储存容量 | 14.5% |
| 绿色储氢燃料电池尺寸 | 3.9% |
| 氢气罐尺寸 | 18.3% |
| 电网电力所需的氢气生产 | 31.4% |
| 地下热能最大释放率 | 1% |
| 地下热能储存能力 | 27.3% |
| 陆上风电额定容量 | 1.2% |
| 海上风电额定容量 | 0.54% |
| 公用事业光伏铭牌容量 | 0.54% |
| CSP 铭牌容量 | 0.84% |
交叉参考 –补充材料：耐火砖对工业过程热的影响
总体而言，添加耐火砖后，储能装置的最大放电速率和容量均有所提高。但对于电能存储和低温热能存储而言，效果则相反。简而言之，添加耐火砖提高了所有类型储能装置的最大放电速率，但降低了其最大容量。
一项研究发现，日本一栋房屋的碳足迹为38吨，这很有意思。我想知道我家的碳足迹是多少！
使用耐火砖降低成本
在评估的149个国家中，耐火砖方案所需的电池储能容量比基准方案减少了14.5%（32.2太瓦时而非37.7太瓦时）。耐火砖储能成本相比电池储能大幅降低是耐火砖方案能源成本更低的主要原因。
下图表明了使用耐火砖减少电力和低温储热及发电机容量的好处。它还将 149 个国家向 WWS 过渡的资本成本从 58.24 万亿美元减少到 56.97 万亿美元（2020 年美元），降至 1.27 万亿美元（2.2%）。
然而，除加拿大和冰岛外，所有地区的资本成本都有所下降。这是因为他们已经拥有丰富且稳定的水电和风能资源，不需要采用耐火砖方法（但在过程中仍然安装了它）。
此外， 有所减少 ，在 能源平准化成本 （平准化能源成本） 0.15 个国家的能源成本平均为 1.7 美分/千瓦时（119%），年均能源成本平均为 1.78 亿美元（149%）.
通过降低与电网相关的成本，可以降低 LCOE 成本：电网氢气、地下热能存储、电池和发电成本。
另一方面，耐火砖储能容量从0太瓦时增加到32.1太瓦时。虽然耐火砖储能容量是电池储能容量的5.8倍，但其每千瓦时成本仅为电池储能的十分之一。这清楚地表明，用耐火砖替代电池将降低成本。
2050 年年均终端使用需求 BAU 和 WWS
根据2050年的能源需求预测，耐火砖的使用往往会降低其与基准方案之间年度能源成本的差异。较低的资本成本与耐火砖相结合，可使149个国家的能源成本回收期缩短3.2%，从5.9年缩短至5.7年，从而显著降低能源成本。以上数据均基于100%采用WWS（全水循环系统）的假设。
此外，在东南亚和新西兰这两个地区，投资回收期缩短了一年以上。使用耐火砖还能减少发电机所需的土地面积。在149个国家，土地面积减少了2,700平方公里（0.43%）。
耐火砖的唯一缺点 工业加热过程中
尽管优势众多，但唯一的缺点是创造的就业机会较少。据估计，由于耐火砖结构相比基本结构，其电力和低温储热能力以及所需发电机铭牌容量均有所减少，因此创造的就业岗位减少了约0.51%（118,000万个）。
如何在不使用电池和耐火砖的情况下储存太阳能？让我们一起来看看！
客户案例: 工业工艺加热用耐火砖
丹尼尔·C·斯塔克等人于2019年发表的一份研究报告提到了耐火砖电阻加热储能的性能。该团队利用计算机模拟了耐火砖在约1000-1700°C高温下储存电能的情况。
他们将耐火砖按照特定且受保护的模式排列。当需要加热时，将砖块移至冷气流中，然后用于工业操作或使用蒸汽涡轮机发电。通过这种方式，研究人员得出结论，他们可以在数小时内对耐火砖进行充电和放电。他们还建议，容量为 100 到 1000 兆瓦时的系统可以每天使用。
金属合金和陶瓷电阻加热器用于将电能转化为热能。它们将砖（氧化镁、碳化硅或氧化铝）连接到加热器上。
观察结果：
碳化硅和二硅化钼加热器可达到最高温度。但是，要将热量均匀分布到砖块阵列的中心却非常困难。
这些加热器适用于高达 1100° C 的温度，但一旦温度达到并超过 1500° C，它们就会开始变质。这主要是因为它们的外部保护涂层被氧气扩散所取代。
建议
为了加热耐火砖，研究人员建议采用直接电阻加热（DRH）法。导电耐火砖通过电流加热，温度可升至1800°C。这些耐火砖含有氧化铬（一种导电金属氧化物），并掺杂了氧化镁或氧化镍，使其能够达到高温。
DRH 的优势
- 由于耐火砖本身就是加热元件，因此 DRH 具有加热元件和耐火砖之间无温度下降的优势。
- 此外，DRH 不受电流、频率或电压的影响。
- 它不需要昂贵的电力电子设备。
- 它适合直接连接到光伏阵列。
研究人员估计，250 年配备外部加热的 2018 兆瓦时氧化铝耐火砖系统的价格约为 10.75 美元/千瓦时储热。这包括以下比率：
- 隔热材料（1.6%）
- 安全壳（7.2%）
- 耐火砖（18.4%）
- 变压器（52.2％）
- 鼓风机（11.9％）
- 金属加热丝（8.7%）
首先，耐火砖的价格约为 2.12 美元/千瓦时，但氧化镁的成本为 1.87 美元/千瓦时，碳化硅的成本约为 7.18 美元/千瓦时。但相比之下，电池的成本为 250-500 美元/千瓦时，约为每千瓦时热能存储成本的 10 倍。
客户案例
2021
根据 2021 年的数据，电力仅占 20.6 个国家终端使用行业总电力需求的 149%。其余贡献来自潮汐或波浪能 0.0043%、地热能 0.33%、太阳能 3.63%、风能 6.54% 和水力发电 15.5%。
2021-2022 年，约有 47 个国家通过 WWS 产生了超过 50% 的电力需求，99.8 个国家通过 WWS 产生了 100-XNUMX% 的电力。
到目前为止，水力发电一直是 WWS 发电的主导，但太阳能和风能正在占领市场。如果世界上大部分电力是由 WWS 产生的，那么其中约 90% 将由 WWS 产生。
2022
2022年全球二氧化碳排放量中约有17%来自工业余热燃烧。此外，钢铁、水泥和其他产品生产过程中的化学反应也产生了8.38%的二氧化碳排放。
结语
由此，研究人员得出结论，耐火砖对 149 个国家的工业过程热的影响是积极的，它们是储存工业过程热和向清洁能源过渡的有用工具。耐火砖可以为工业过程储存高温热量，降低可再生能源的成本。它们的性能存在一些不确定性，例如每日热量损失率。但即使每日热量损失率为 5%，耐火砖仍然是一种经济实惠的选择。
尽管耐火砖不能解决工业排放问题，但其产热排放可以大幅减少。因此，需要制定政策和激励措施来应对气候变化、能源安全和空气污染，以促进可持续的潜在解决方案。
来源：耐火砖对工业过程热的影响
来源：补充信息
