Ученые предложили хранить «зеленую энергию» в огнеупорных кирпичах
Эффективность использования тепловых свойств огнеупорных кирпичей для хранения энергии, которое ускорит переход в мире на возобновляемые источники энергии при низких затратах, доказали в своем исследовании специалисты Стэнфордского университета, 1 августа сообщает пресс-служба вуза.
Результаты исследования ученые представили в статье «Влияние использования огнеупорных кирпичей для обогрева промышленных процессов на стоимость обеспечения спроса на энергию во всех секторах со 100-процентным обеспечением энергией ветра, воды и солнца в 149 странах», опубликованной в журнале PNAS Nexus.
Ученые Стэнфордского университета предложили использовать технологию, корни которой уходят в Бронзовый век, для экономичного и быстро реализуемого решения, предназначенного помочь достижению климатической цели ООН — нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году.
Их решение заключается в использовании аккумуляторов тепла из теплопоглощающих кирпичей, помещенных в термоизолированный контейнер, которые будут хранить тепло, вырабатываемое солнечной или ветровой энергией, для последующего его применения в промышленных процессах.
Электричество может быть преобразовано в тепло с помощью металлических электронагревателей, подключенных к огнеупорным кирпичам, или с помощью прямого нагрева электричеством самих огнеупорных кирпичей за счет их электросопротивления.
Тепло из такого аккумулятора может доставляться в требуемое место с помощью воздуха, который пропускается через каналы, сформированные в штабелях из огнеупорных кирпичей. Это позволит цементным, сталелитейным, стекольным и другим заводам работать на возобновляемой энергии даже при отсутствии ветра и солнечного света.
Аналогичные системы для промышленного хранения тепла недавно начали внедрять в производство несколько компаний. Такие кирпичи делаются из тех же материалов, какими наши предки в бронзовом веке выкладывали свои примитивные печи, а позже печи для выплавки железа тысячи лет назад. При этом в качестве изолирующего используются те же материалы, но в других пропорциях.
Ведущий автор исследования, профессор гражданского и экологического строительства в Стэнфордской школе устойчивого развития и инженерной школе им. Дорра Марк З. Якобсон пояснил:
«Разница между хранилищем из огнеупорного кирпича и аккумуляторной батареей заключается в том, что огнеупорный кирпич хранит тепло, а не электричество, и стоит в десять раз дешевле батареи». Материалы для его изготовления также намного дешевле. «По сути, это просто компоненты грунта», — добавил он.
Во многих отраслях промышленности технология производства требует высоких рабочих температур. Для производства цемента это 1000 градусов по Цельсию, а для производства стекла, железа и стали еще выше.
При этом, согласно расчетам Якобсона и его соавтора Дэниела Самбора, около 17% всех выбросов углекислого газа в мире дает сжигание ископаемого топлива для производства тепла, необходимого для промышленных процессов. Генерация промышленного тепла из возобновляемых источников могла бы практически устранить эти выбросы.
«Храня энергию в форме, наиболее близкой к ее конечному использованию, вы снижаете потери при преобразовании энергии, — указал Самбор, аспирант в области гражданского и экологического строительства. — В нашей области часто говорят: „Если вам нужен горячий душ, запаситесь горячей водой, а если вам нужны холодные напитки, запаситесь льдом“; поэтому суть этого исследования можно резюмировать так: „Если вам нужно тепло для промышленности, запасите его в огнеупорных кирпичах“».
Исследователи изучили потенциальное влияние использования огнеупорных кирпичей для хранения большей части промышленного технологического тепла в 149 странах в гипотетическом будущем, где каждая страна перешла на ветровую, геотермальную, гидроэнергетическую и солнечную энергию для всех энергетических целей.
В настоящее время эти 149 стран несут ответственность за 99,75% мировых выбросов углекислого газа от использования ископаемого топлива. «Наше исследование является первым, изучающим крупномасштабный переход на возобновляемую энергию с использованием огнеупорных кирпичей как части решения», — отметил Якобсон.
Исследование показало, что аккумуляторы тепла из огнеупорных кирпичей обеспечат более быстрый и менее затратный переход на возобновляемые источники энергии, и это поможет всем с точки зрения здоровья, климата, рабочих мест и энергетической безопасности.
В своих расчетах команда использовала компьютерные модели для сравнения затрат, потребностей в земельных ресурсах, воздействия на здоровье и объема выбросов для двух сценариев гипотетического будущего, в котором 149 стран в 2050 году будут использовать возобновляемые источники энергии для всех энергетических целей.
В одном из сценариев аккумуляторы тепла из огнеупорных кирпичей обеспечивают 90% промышленного технологического тепла. В другом сценарии нет внедрения таких или иных форм хранения тепловой энергии для промышленных процессов.
В сценарии без огнеупорных кирпичей исследователи предположили, что тепло для промышленных процессов будет поступать из электрических печей, нагревателей, котлов и тепловых насосов, а хранить электроэнергию для этих технологий будут в электрических аккумуляторах.
Исследователи обнаружили, что сценарий с использованием огнеупорных кирпичей может сократить капитальные затраты в 149 странах на общую сумму в 1,27 трлн долларов (110 трлн руб.) по сравнению со сценарием без использования огнеупорных кирпичей. Одновременно будет снижен спрос на электроэнергию из сети и потребность в электрических аккумуляторах.
