Дата публикации: 27.11.2024
Декарбонизация
тяжёлой промышленности
всё-таки состоится?
Электропроводящие огнеупорные кирпичи как средство декарбонизации тяжёлой промышленности. Источник.
Что бы вы ни производили, вам понадобится много энергии. Особенно это касается тяжёлой промышленности. Цемент, сталь, химикаты, бумага — всё это требует тепла, света, электричества и других видов энергии, которую подавляющее большинство производств получают сжиганием ископаемого топлива. На его долю приходится 85% потребления энергии в отрасли, а на неё саму — почти четверть выбросов парниковых газов.
Набор возможностей для продуктивной декарбонизации промышленности довольно широк. Так, стремление навести порядок в экологическом аспекте промышленности уже обусловило изменения производственных процессов для конкретных материалов. Некоторые стартапы и предприятия даже меняют сами материалы. Помимо этого, мы можем провести оптимизацию материалоёмкости и энергоэффективности, электрификацию техпроцессов; использовать возобновляемые источники энергии, водород и биомассу; улавливать, хранить и использовать углеродные выбросы.
Выпускник MIT доктор наук Дэниел Стэк пытается решить проблему, складывая энергетическую нагрузку предприятия из нескольких питающих источников.
«Если вы хотите декарбонизировать тяжёлую промышленность, — заявляет исследователь, — нет более дешёвого способа, чем превращать электричество в тепло с помощью безуглеродных источников электроэнергии».
С 2014 года, только придя в институт, он развивал свою идею тепловых аккумуляторов, которые бы посредством электричества могли нагревать проводящие керамические огнеупорные кирпичи. Его разработки в 2021 году вылились в создание компании Electrified Thermal Solutions, которая показала, что её огнеупорные кирпичи могут эффективно накапливать тепло в течение нескольких часов и отдавать его, нагревая воздух или газ до 3272ºF или до 1800ºС — достаточно горячо, чтобы использовать в самых требовательных промышленных задачах.
Достижение температур выше 3000ºF уже само по себе является свершением для промышленного электрического накаливания. А учитывая открывшиеся возможности впервые использовать возобновляемую энергию при её максимальной дешевизне, для некоторых отраслей, наиболее трудно поддающихся обезуглероживанию, такая затея предлагает новую недорогую модель производства.
«У нас <…> глобальный взгляд на вещи, но в США за последние пять лет мы увидели невероятную возможность, связанную с ценами на электроэнергию, которая способствует гибкому потреблению электроэнергии, — говорит Стэк. — В центральной части страны, особенно в ветряном поясе, цены на электроэнергию во многих местах отрицательны более 20% года, и тенденция к снижению цен на электроэнергию в непиковые часы является общенациональным явлением. Такие технологии, как наша тепловая батарея Joule Hive, позволят нам получать доступ к недорогому чистому электричеству и конкурировать с ископаемым топливом по цене при промышленном обогреве, даже не принимая во внимание положительное влияние на климат».
Новый подход к старой технологии
Огнеупорные кирпичи — это распространённые недорогие глиняные кирпичи для каминов и печей, известные нам ещё со времён хеттов. На протяжении чуть ли не трёх тысячелетий они были основой наших технологий. В 2017 году новоявленный магистр факультета ядерных наук и инженерии Стэк в соавторстве со своим научным руководителем Чарльзом Форсбергом написал статью о потенциале огнеупорных кирпичей для хранения тепла, получаемого из возобновляемых источников.
Однако тогда в идее таился большой изъян: в системе предполагались электрические нагревательные элементы (по примеру спиралей в тостерах и ТЭНов в обогревателях), довольно значительно ограничивающие температуру. Тем не менее перспективность проекта заставила молодого учёного сделать его темой своей докторской диссертации и заняться разработкой огнеупорных кирпичей, которые были бы электропроводными, чтобы иметь возможность нагреваться напрямую.
«Электрические обогреватели — ваш главный ограничитель: они слишком быстро перегорают, ломаются, не нагреваются достаточно сильно, — объясняет Стэк. — Идея заключалась в том, чтобы отказаться от обогревателей, потому что сами по себе огнеупорные кирпичи — это действительно дешёвые, распространённые материалы, которые могут нагреваться до температуры, близкой к температуре пламени, и выдерживать её в течение нескольких дней».
Форсберг и Стэк смогли добиться своего, изменив химический состав традиционных огнеупорных кирпичей так, чтобы наделить их электропроводностью. Полученные таким образом блоки на 98% похожи на существующие огнеупорные аналоги и могут производиться тем же путём, позволяя существующим производителям быстро, легко и экономично перейти к их изготовлению, практически не изменяя процесс. Так, ближе к завершению докторской программы, студент понял, что его изобретение можно коммерциализировать.
«При поддержке Министерства энергетики мы смогли запустить этот проект в лаборатории Массачусетского технологического института, — говорит доктор Стэк. — Мы создали электропроводящий огнеупорный кирпич, или, как мы его называем, e-Brick».
Компания Electrified Thermal размещает свои огнеупорные блоки в изолированных готовых металлических коробках. Несмотря на то, что система может быть легко настроена в зависимости от целевого применения, стандартная система компании может собирать и вырабатывать около 5 мегаватт энергии и накапливать около 25 мегаватт-часов.
Продемонстрировав способность генерировать высокие температуры по результатам тестов, прошедших в штаб-квартире стартапа, система принесла инвестиций от различных подразделений Министерства энергетики на 40 миллионов долларов. Изобретателям предстояло заняться проработкой масштабирования технологии и сотрудничеством с производителями.
«По сравнению с другими электрическими системами отопления, мы можем работать при более высоких температурах и дольше, чем любое другое решение на рынке, — говорит Стэк. — Это означает, что мы можем заменить ископаемое топливо на многих промышленных объектах, которые в противном случае не смогли бы перейти на безуглеродное топливо».
Масштабирование для решения глобальной проблемы
Сегодня компания делает свой кирпич доступным сотням промышленных компаний. Среди них цементные заводы, производители стали, стекла, базовых и специальных химических веществ, продуктов питания и напитков, а также целлюлозы и бумаги.
«Проблема промышленного отопления затрагивает всех без исключения, — говорит автор. — У всех одна и та же фундаментальная проблема: как получить тепло доступным и безуглеродным способом в условиях энергетического перехода».
В настоящее время компания разрабатывает коммерческую версию своей системы мегаваттного масштаба, которую планируется ввести в эксплуатацию в течение ближайших семи месяцев.
«С самого начала мы проектировали эти электронные кирпичи так, чтобы их можно было быстро масштабировать и производить в рамках существующих цепочек поставок и производственных процессов, — говорит Стэк. — Следующий год станет важным испытательным периодом для отрасли. Мы будем использовать коммерческую систему для демонстрации различных рабочих моментов, которые нужно видеть клиентам, и мы надеемся, что к концу года сможем запустить системы на объектах клиентов. Это станет огромным достижением и первым опытом в области электрического отопления, потому что ни одно другое решение на рынке не может обеспечить такую же температуру».
Сотрудничество с производителями огнеупорных кирпичей и корпусов позволит быстро и недорого внедрять эти системы в крупных отраслях промышленности. Доктор Стэк считает, что вклад разработки в экологию будет весьма значительным. Как ожидается, через эту систему «будет проходить двузначный процент мировой энергии по мере энергетического перехода».
АРМК, по материалам MIT.
