Согласно недавнему исследованию PNAS Nexus , проведенному Стэнфордским университетом, технология, корни которой уходят в Бронзовый век, может стать быстрым и недорогим решением, которое поможет достичь климатической цели ООН — нулевых выбросов к 2050 году.
Технология включает сборку теплопоглощающих кирпичей в изолированном контейнере, где они могут хранить тепло, вырабатываемое солнечной или ветровой энергией, для последующего использования при температурах, необходимых для промышленных процессов. Затем тепло может быть отдано по мере необходимости путем пропускания воздуха через каналы в штабелях «огненных кирпичей», что позволяет цементным, сталелитейным, стекольным и бумажным заводам работать на возобновляемой энергии даже при отсутствии ветра и солнечного света.
Эти системы, которые несколько компаний недавно начали коммерциализировать для промышленного хранения тепла, являются формой хранения тепловой энергии. Кирпичи сделаны из тех же материалов, что и изоляционные кирпичи, которые выкладывали примитивные печи и печи для производства железа тысячи лет назад. Чтобы оптимизировать хранение тепла вместо изоляции, материалы комбинируются в разных количествах.
Батареи могут хранить электроэнергию из возобновляемых источников и обеспечивать электроэнергией выработку тепла по требованию. «Разница между хранилищем из огнеупорного кирпича и хранилищем из батареи заключается в том, что огнеупорный кирпич хранит тепло, а не электричество, и стоит в десять раз дешевле батареи», — сказал ведущий автор исследования Марк З. Якобсон, профессор гражданского и экологического строительства в Стэнфордской школе устойчивого развития и инженерной школе им. Дёрра. «Материалы также намного проще. По сути, это просто компоненты грязи».
Высокая аккумуляция тепла
Во многих отраслях промышленности для производства требуется высокотемпературное тепло. Температура на заводах должна достигать не менее 1300 градусов по Цельсию (почти 2400 градусов по Фаренгейту) для производства цемента и 1000 градусов по Цельсию (около 1800 градусов по Фаренгейту) или выше для производства стекла, железа и стали. Сегодня около 17% всех выбросов углекислого газа в мире происходят от сжигания ископаемого топлива для производства тепла для промышленных процессов, согласно расчетам Якобсона и соавтора Дэниела Самбора. Генерация промышленного тепла из возобновляемых источников могла бы практически устранить эти выбросы.
«Храня энергию в форме, наиболее близкой к ее конечному использованию, вы снижаете неэффективность преобразования энергии», — сказал Самбор, постдокторант в области гражданского и экологического строительства. «В нашей области часто говорят: «Если вам нужен горячий душ, запасите горячую воду, а если вам нужны холодные напитки, запасите лед»; поэтому это исследование можно резюмировать так: «Если вам нужно тепло для промышленности, запасите его в огнеупорных кирпичах».
Существенная экономия
Исследователи намеревались изучить 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. 149 стран несут ответственность за 99,75% мировых выбросов углекислого газа от ископаемого топлива. «Наше исследование является первым, изучающим крупномасштабный переход на возобновляемую энергию с использованием огнеупорных кирпичей как части решения», — сказал Якобсон. «Мы обнаружили, что огнеупорные кирпичи обеспечивают более быстрый и менее затратный переход на возобновляемые источники энергии, и это помогает всем с точки зрения здоровья, климата, рабочих мест и энергетической безопасности».
Команда использовала компьютерные модели для сравнения затрат, потребностей в земле, воздействия на здоровье и выбросов, вовлеченных в два сценария гипотетического будущего, в котором 149 стран в 2050 году будут использовать возобновляемые источники энергии для всех энергетических целей. В одном сценарии огнеупорные кирпичи обеспечивают 90% промышленного технологического тепла. В другом сценарии нет внедрения огнеупорных кирпичей или других 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 батареи будут использоваться для хранения электроэнергии для этих технологий.
Исследователи обнаружили, что сценарий с использованием огнеупорных кирпичей может сократить капитальные затраты на 1,27 триллиона долларов в 149 странах по сравнению со сценарием без использования огнеупорных кирпичей, одновременно снижая спрос на электроэнергию из сети и потребность в емкости для хранения энергии в аккумуляторах.
Чистая энергия, чистый воздух
Решения по ускорению перехода на чистую энергию также связаны со здоровьем человека. Предыдущие исследования показали, что загрязнение воздуха от сжигания ископаемого топлива ежегодно становится причиной миллионов преждевременных смертей. «Каждая частица топлива, которую мы заменяем электричеством, уменьшает загрязнение воздуха», — сказал Якобсон. «И поскольку существует ограниченное количество денег для перехода на высокой скорости, чем ниже стоимость всей системы, тем быстрее мы сможем ее реализовать».
Якобсон посвятил свою карьеру изучению проблем загрязнения воздуха и климата, а также разработке энергетических планов для стран, штатов и городов для решения этих проблем. Но его внимание к огнеупорным кирпичам относительно ново и вызвано желанием найти эффективные решения, которые можно было бы быстро принять.
«Представьте, если мы предложим дорогой и сложный метод перехода на возобновляемую электроэнергию — у нас будет очень мало желающих. Но если это сэкономит деньги по сравнению с предыдущим методом, то он будет реализован быстрее», — сказал он. «Меня волнует то, что влияние очень велико, в то время как многие технологии, которые я рассматривал, имеют незначительное влияние. Здесь я вижу существенную выгоду при низких затратах с разных точек зрения, от помощи в снижении смертности от загрязнения воздуха до облегчения перехода мира на чистые возобновляемые источники энергии».
