Badania Stanforda pokazują, że opłacalne właściwości termiczne „cegieł szamotowych” czynią je idealnym rozwiązaniem do magazynowania energii, potencjalnie przyspieszającym globalne przejście na energię odnawialną niewielkim kosztem.
Według ostatnich badań przeprowadzonych pod kierunkiem Stanforda i opublikowanych w Nexus PNAStechnologia sięgająca epoki brązu, mogłaby zapewnić szybką i niedrogą metodę wspierania celu Organizacji Narodów Zjednoczonych, jakim jest osiągnięcie zerowej emisji netto do 2050 r.
Technologia polega na umieszczeniu cegieł pochłaniających ciepło w izolowanym pojemniku, w którym mogą magazynować ciepło wytworzone przez energię słoneczną lub wiatrową do późniejszego wykorzystania w temperaturach wymaganych w procesach przemysłowych. Ciepło można następnie uwolnić w razie potrzeby, przepuszczając powietrze przez kanały w stosach „cegieł szamotowych”, umożliwiając fabrykom cementu, stali, szkła i papieru korzystanie z energii odnawialnej nawet wtedy, gdy nie ma wiatru i słońca.
Systemy te, które kilka firm zaczęło niedawno komercjalizować do celów przemysłowego magazynowania ciepła, są formą magazynowania energii cieplnej. Cegły są wykonane z tych samych materiałów, co cegły izolacyjne, którymi tysiące lat temu wykładano prymitywne piece i piece do wytapiania żelaza. Aby zoptymalizować magazynowanie ciepła zamiast izolacji, materiały łączy się w różnych ilościach.
Baterie mogą magazynować energię elektryczną ze źródeł odnawialnych i dostarczać energię elektryczną do wytwarzania ciepła na żądanie. „Różnica między magazynowaniem w cegłach szamotowych a magazynowaniem w bateriach polega na tym, że cegły szamotowe magazynują ciepło, a nie energię elektryczną, i kosztują jedną dziesiątą kosztów akumulatorów” – powiedział główny autor badania Mark Z. Jacobson, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej w szkole Stanford Doerr Zrównoważonego Rozwoju i Szkoły Inżynierskiej. „Materiały są również znacznie prostsze. W zasadzie są to tylko składniki brudu.”
Wysoka akumulacja ciepła
Wiele gałęzi przemysłu wymaga do produkcji ciepła o wysokiej temperaturze. Temperatury w fabrykach muszą sięgać co najmniej 1300 stopni Celsjusz (prawie 2400 stopni Fahrenheita) do produkcji cementu i 1000 C (około 1800 F) lub więcej do produkcji szkła, żelaza i stali. Według obliczeń Jacobsona i współautora Daniela Sambora obecnie około 17% wszystkich emisji dwutlenku węgla na świecie wynika ze spalania paliw kopalnych w celu wytworzenia ciepła na potrzeby procesów przemysłowych. Wytwarzanie ciepła przemysłowego ze źródeł odnawialnych mogłoby prawie wyeliminować te emisje.
„Przechowując energię w postaci najbardziej zbliżonej do jej końcowego wykorzystania, zmniejszasz nieefektywność konwersji energii” – powiedział Sambor, doktor habilitowany w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiskowej. „W naszej branży często się mówi, że «jeśli chcesz mieć gorące prysznice, przechowuj gorącą wodę, a jeśli chcesz zimne napoje, przechowuj lód»; dlatego też badanie to można podsumować następująco: „jeśli potrzebujesz ciepła dla przemysłu, przechowuj go w cegłach szamotowych”.
Znaczące oszczędności
Naukowcy postanowili zbadać wpływ wykorzystania cegieł szamotowych do magazynowania większości ciepła procesowego w przemyśle w 149 krajach w hipotetycznej przyszłości, w której każdy kraj przeszedł na energię wiatrową, geotermalną, wodną i słoneczną do wszystkich celów energetycznych. 149 krajów odpowiada za 99,75% światowych emisji dwutlenku węgla z paliw kopalnych. „Nasze badanie jest pierwszym, w którym analizujemy przejście na energię odnawialną na dużą skalę z wykorzystaniem cegieł szamotowych jako część rozwiązania” – powiedział Jacobson. „Odkryliśmy, że cegły ogniotrwałe umożliwiają szybsze i tańsze przejście na odnawialne źródła energii, co pomaga wszystkim pod względem zdrowia, klimatu, zatrudnienia i bezpieczeństwa energetycznego”.
Zespół wykorzystał modele komputerowe do porównania kosztów, zapotrzebowania na grunty, wpływu na zdrowie i emisji w dwóch scenariuszach hipotetycznej przyszłości, w której 149 krajów w 2050 r. będzie wykorzystywać odnawialne źródła energii do wszystkich celów energetycznych. W jednym scenariuszu cegły ogniotrwałe zapewniają 90% ciepła procesowego w przemyśle. Z drugiej strony nie stosuje się cegieł szamotowych ani innych form magazynowania energii cieplnej w procesach przemysłowych. W scenariuszu bez cegieł szamotowych badacze założyli, że ciepło do procesów przemysłowych będzie pochodzić z pieców elektrycznych, grzejników, bojlerów i pomp ciepła, a do magazynowania energii elektrycznej na potrzeby tych technologii będą wykorzystywane akumulatory.
Naukowcy odkryli, że scenariusz wykorzystujący cegły szamotowe mógłby obniżyć koszty inwestycyjne o 1,27 biliona dolarów w 149 krajach w porównaniu ze scenariuszem bez magazynowania cegieł szamotowych, zmniejszając jednocześnie zapotrzebowanie na energię z sieci i zapotrzebowanie na pojemność magazynowania energii z akumulatorów.
Czysta energia, czystsze powietrze
Rozwiązania przyspieszające przejście na czystą energię mają także związek ze zdrowiem człowieka. Poprzednie badania wykazały, że zanieczyszczenie powietrza spowodowane spalaniem paliw kopalnych powoduje każdego roku miliony przedwczesnych zgonów. „Każda cząstka paliwa spalanego, którą zastępujemy energią elektryczną, zmniejsza zanieczyszczenie powietrza” – powiedział Jacobson. „A ponieważ ilość pieniędzy na szybką zmianę jest ograniczona, im niższy koszt całego systemu, tym szybciej możemy go wdrożyć”.
Jacobson spędził swoją karierę na zrozumieniu problemów związanych z zanieczyszczeniem powietrza i klimatem oraz opracowywaniu planów energetycznych dla krajów, stanów i miast w celu rozwiązania tych problemów. Jednak jego skupienie się na cegłach szamotowych jest stosunkowo nowe i zainspirowane chęcią zidentyfikowania skutecznych rozwiązań, które można szybko zastosować.
„Wyobraźcie sobie, że zaproponujemy kosztowną i trudną metodę przejścia na energię odnawialną – mielibyśmy bardzo niewielu chętnych. Jeśli jednak pozwoli to zaoszczędzić pieniądze w porównaniu z poprzednią metodą, zostanie wdrożona szybciej” – powiedział. „Ekscytuje mnie to, że wpływ jest bardzo duży, podczas gdy wiele technologii, którym się przyglądałem, ma marginalny wpływ. Widzę tutaj znaczne korzyści przy niskich kosztach pod wieloma względami, od pomocy w zmniejszeniu śmiertelności spowodowanej zanieczyszczeniem powietrza po ułatwienie przejścia świata na czyste odnawialne źródła energii”.
Odniesienie: „Wpływ cegieł szamotowych do przemysłowego ciepła procesowego na koszt pokrycia zapotrzebowania całego sektora na energię przy 100% dostawach z wiatru, wody i energii słonecznej w 149 krajach”, Mark Z Jacobson, Daniel J Sambor, Yuanbei F Fan i Andreas Mühlbauer, 10 lipiec 2024, Nexus PNAS.
DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae274
Badania sfinansowało Centrum Badawczo-Rozwojowe Inżynierów.
