Технология бронзового века может помочь переключиться на чистую энергию

Кредит: CC0 Общественный домен

Технология включает в себя сборку теплопоглощающих кирпичей в изолированном контейнере, где они могут хранить тепло, генерируемое солнечной энергией или ветровой энергией для последующего использования при температурах, необходимых для промышленных процессов.Затем тепло может быть выпущено, когда это необходимо, проходя воздух через каналы в стеке «огненных мостов», что позволяет цементному, стальному, стеклу и бумажному заводам работать на возобновляемых источниках энергии, даже когда ветер и солнце недоступны.

Эти системы, которые несколько компаний недавно начали коммерциализироваться для хранения промышленного тепла, являются формой хранения тепловой энергии.Кирпичи изготовлены из тех же материалов, что и изолирующие кирпичи, которые выровняли примитивные печи и печи с железом тысячи лет назад.Для оптимизации для хранения тепла вместо изоляции материалы объединяются в разных количествах.

Батареи могут хранить электроэнергию из возобновляемых источников и обеспечивать электроэнергию для генерации тепла по требованию.«Разница между хранением огня и хранением батареи состоит в том, что огненные мощи хранят тепло, а не электроэнергию, и составляет одну десятую стоимость батарей»,-сказал ведущий автор исследования Марк З. Якобсон, профессор гражданского и экологического инженера в Стэнфордской школе Доерра Доерраустойчивости и инженерной школы.«Материалы тоже намного проще. Они в основном просто компоненты грязи».

Многие отрасли требуют высокотемпературного тепла для производства.Температура на фабриках должна достигать не менее 1300 градусов по Цельсию (почти 2400 градусов по Фаренгейту), чтобы получить цемент и 1000 C (около 1800 F) или горячее для стекла, железа и стали.Сегодня около 17% всех выбросов углекислого газа по всему миру от сжигания ископаемого топлива для производства тепла для промышленных процессов, по словам расчетов Джейкобсона и соавтора Даниэля Самбора.Генерация промышленного тепла из возобновляемых источников может практически исключить эти выбросы.

«Хранив энергию в ближайшей к его конечному использованию, вы уменьшаете неэффективность в преобразовании энергии», - сказал Самбор, постдокторский ученый в области гражданской и экологической инженерии.«В нашей области часто говорится, что« если вы хотите горячий душ, хранить горячую воду и, если вы хотите холодные напитки, хранить лед », так что это исследование может быть обобщено как« Если вам нужно жар для промышленности, храните его в огненных мостах.‘”

Исследователи решили изучить влияние использования огненных мощностей для хранения большинства промышленных процессов в 149 странах в гипотетическом будущем, когда каждая страна перешла к ветру, геотермальной, гидроэнергетике и солнечному для всех энергетических целей.149 стран отвечают за 99,75% глобальных выбросов углекислого газа от ископаемого топлива.«Наш является первым исследованием, которое изучает крупномасштабный переход возобновляемой энергии с огненными мостами в рамках решения»,-сказал Джейкобсон.«Мы обнаружили, что огненные мощи обеспечивают более быстрый и более дешевый переход к возобновляемым источникам энергии, и это помогает всем с точки зрения здоровья, климата, рабочих мест и энергетической безопасности».

Команда использовала компьютерные модели для сравнения затрат, потребностей земли, воздействия на здоровье и выбросов, связанных с двумя сценариями для гипотетического будущего, где 149 стран в 2050 году используют возобновляемые источники энергии для всех энергетических целей.В одном сценарии огненные мощи обеспечивают 90% промышленного тепла.С другой стороны, нет никакого принятия огненных мощностей или других форм хранения тепловой энергии для промышленных процессов.В сценарии без обжимания исследователи предполагали, что тепло для промышленных процессов будет поступать вместо этого от электрических печей, обогревателей, котлов и тепловых насосов, а батареи используются для хранения электроэнергии для этих технологий.

Исследователи обнаружили, что сценарий с огненными мостами может сократить капитальные затраты на 1,27 триллиона долларов в 149 странах по сравнению со сценарием без хранения огненного моря, при этом снижая спрос на энергию из сети и необходимость в емкости для хранения энергии из батарей.

Решения для ускорения перехода к чистой энергии также связаны со здоровьем человека.Предыдущие исследования показали, что загрязнение воздуха от сжигания ископаемого топлива вызывает миллионы ранних смертей в год.«Каждое количество топлива сжигания, которое мы заменяем электричеством, уменьшает это загрязнение воздуха», - сказал Джейкобсон.«И поскольку существует ограниченная сумма денег для перехода на высокой скорости, тем ниже стоимость общей системы, тем быстрее мы можем ее реализовать».

Джейкобсон провел свою карьеру, понимая загрязнение воздуха и проблемы с климатом, а также разрабатывая энергетические планы для стран, штатов и городов, чтобы решить эти проблемы.Но его внимание к огненным мостям относительно новое, вдохновляемое желанием определить эффективные решения, которые могут быть приняты быстро.

«Представьте себе, что если мы предложим дорогой и сложный метод перехода на возобновляемое электричество - у нас будет очень мало покупателей. Но, если это сэкономит деньги по сравнению с предыдущим методом, это будет реализовано быстрее», - сказал он.«Что меня волнует, так это то, что влияние очень большое, тогда как много технологий, на которые я смотрел, они оказывают незначительное воздействие. Здесь я вижу существенную выгоду по низкой стоимости с разных сторон, помогая снизить смертность загрязнения воздухаЧтобы облегчить переход мира на очистку возобновляемых источников энергии ».

More information: Mark Z Jacobson et al, Effects of firebricks for industrial process heat on the cost of matching all-sector energy demand with 100% wind–water–solar supply in 149 countries, PNAS Nexus (2024). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae274