Огнеупорные кирпичи — жаростойкие кирпичи, способные выдерживать и хранить высокие температуры без повреждений — были разработаны в раннем бронзовом веке. Их использовали для облицовки примитивных печей, вырытых в земле. Теперь исследователи полагают, что они могут сыграть роль в нашем энергетическом переходе.

Тепловые батареи

Эти кирпичи состоят из особых материалов, таких как оксид алюминия, кремнезем и магнезия, которые придают им высокую плотность и температуру плавления. Это делает их идеальными для хранения тепла, вырабатываемого из избыточной возобновляемой электроэнергии.

Экономическое преимущество огнеупорного кирпича существенно, хотя и не очевидно на первый взгляд. Они действительно дорогие по сравнению с обычными кирпичами. Однако эти кирпичи действительно отлично сохраняют тепло — и они, безусловно, дешевле батарей.

«Разница между хранением огнеупорных кирпичей и аккумуляторными батареями заключается в том, что огнеупорные кирпичи хранят тепло, а не электричество, и их стоимость составляет одну десятую стоимости батарей», — сказал ведущий автор исследования Марк З. Джейкобсон, профессор гражданского и экологического проектирования в Стэнфордской школе Дорра. устойчивого развития и инженерной школы. «Материалы также намного проще. По сути, это всего лишь компоненты грязи».

Многие промышленные процессы используют высокую температуру. Джейкобсон и его коллеги рассчитали, что произойдет, если этот тип кирпича будет использоваться для хранения тепла в промышленных процессах в сценарии, где используется 100% возобновляемая энергия.

Стоимость теплового киловатт-часа (кВт-ч) для системы хранения из огнеупорного кирпича составляет менее одной десятой стоимости аккумуляторной системы хранения за киловатт-час электроэнергии (кВт-ч-э). Такая экономическая эффективность делает огнеупорные кирпичи многообещающим инструментом в усилиях по переходу на 100% возобновляемую энергию.

Промышленный огнеупорный кирпич

Промышленные процессы, требующие высокотемпературного тепла, ответственны за примерно 17% глобальных выбросов углекислого газа. Эти процессы включают производство цемента, стали, стекла и химикатов.

Традиционные методы обеспечения технологического тепла включают сжигание ископаемого топлива, которое является углеродоемким и дорогостоящим. Напротив, использование возобновляемой электроэнергии для производства тепла и хранения его в огнеупорных кирпичах представляет собой устойчивую и экономичную альтернативу, подсчитали исследователи.

По сути, огнеупорные кирпичи могли бы служить «батарейками» для этого тепла. Это накопленное тепло затем может быть использовано по требованию для различных промышленных процессов. Огнеупорные кирпичи расположены таким образом, что позволяют воздуху проходить через них, либо непосредственно излучая инфракрасное излучение, либо нагревая воздух, который затем используется в промышленных целях.

«Сохраняя энергию в форме, наиболее близкой к ее конечному использованию, вы снижаете неэффективность преобразования энергии», — сказал соавтор Дэниел Самбор, постдокторант в области гражданского и экологического строительства. «В нашей сфере часто говорят: «Если вам нужен горячий душ, храните горячую воду, а если вам нужны холодные напитки, храните лед»; поэтому это исследование можно резюмировать так: «Если вам нужно тепло для промышленности, храните его в огнеупорных кирпичах».

Почему это такая хорошая идея

Основным преимуществом огнеупорных кирпичей перед традиционными аккумуляторными батареями является стоимость. Хотя батареи эффективны для кратковременного хранения энергии, они значительно дороже на единицу запасенной энергии по сравнению с огнеупорными кирпичами. Кроме того, батареи имеют более низкий коэффициент емкости, а это означает, что они не используются так эффективно, как огнеупорные кирпичи, при длительном хранении.

Огнеупорные кирпичи также обеспечивают большую гибкость. Они могут хранить тепло в течение длительного времени, что делает их идеальными для отраслей, где требуется непрерывное теплоснабжение. Эта гибкость помогает сгладить изменчивость возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, которые могут колебаться в зависимости от погодных условий.

Однако есть несколько предостережений. Во-первых, существует неопределенность в суточной скорости теплопотерь огнеупорных кирпичей. Текущие оценки предполагают, что уровень потерь составляет около 1% в день, но необходимы дальнейшие исследования для оптимизации изоляции и минимизации потерь. Затем в исследовании предполагалось, что практически вся энергия в мире является возобновляемой, но это пока не так.

«Наше исследование — это первое исследование, в котором рассматривается крупномасштабный переход на возобновляемые источники энергии с использованием огнеупорных кирпичей как часть решения», — сказал Джейкобсон. «Мы обнаружили, что огнеупорные кирпичи позволяют быстрее и с меньшими затратами перейти к возобновляемым источникам энергии, и это помогает всем с точки зрения здоровья, климата, рабочих мест и энергетической безопасности».

Исследование было опубликовано в ПНАС Нексус.