耐火磚為無碳能源提供低成本存儲(chǔ)

自赫梯時(shí)代以來，設(shè)計(jì)用于承受高溫的耐火磚已經(jīng)成為我們技術(shù)武器庫的一部分至少三千年。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院研究人員的一項(xiàng)提案表明，這項(xiàng)古老的發(fā)明可以在使世界擺脫化石燃料并依賴無碳能源方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

研究人員的想法是利用需求較低時(shí)產(chǎn)生的多余電力 - 例如，當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)勁的夜間吹風(fēng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng) - 通過使用電阻加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能。這些設(shè)備將使用多余的電力來加熱大量的耐火磚，如果它們被封閉在絕緣套管中，則可以長時(shí)間保持熱量。在以后的時(shí)間，熱量可以直接用于工業(yè)過程，或者它可以為發(fā)電機(jī)供電，當(dāng)需要電力時(shí)將其轉(zhuǎn)換回電力。

該技術(shù)本身已經(jīng)陳舊，但其潛在的用途是一種新現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由間歇性可再生能源的快速增長以及電價(jià)設(shè)定方式的特殊性所帶來的。從技術(shù)上講，該系統(tǒng)“可能是在20世紀(jì)20年代開發(fā)的，但當(dāng)時(shí)沒有市場(chǎng)，”麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系研究科學(xué)家，描述該計(jì)劃的研究論文的主要作者Charles Forsberg說。本周出現(xiàn)在電力期刊上。

福斯伯格指出，美國和大多數(shù)工業(yè)化地區(qū)對(duì)工業(yè)熱的需求實(shí)際上大于電力總需求。與電力需求不同，電力需求變化很大且往往難以預(yù)測(cè)，對(duì)工業(yè)熱量的需求是恒定的，并且可以在可用的時(shí)候利用額外的熱源，為這種基于耐火磚的系統(tǒng)提供的熱量提供幾乎無限的市場(chǎng)。

該系統(tǒng)，F(xiàn)orsberg稱之為FIRES(用于FIrebrick Resistance-heating Energy Storage)，實(shí)際上會(huì)提高公用事業(yè)市場(chǎng)的最低電價(jià)，目前在高產(chǎn)量時(shí)可以降至幾乎為零，例如陽光燦爛的日子，太陽能發(fā)電廠的產(chǎn)量達(dá)到頂峰。

電力價(jià)格的確定提前一天，一個(gè)獨(dú)立的價(jià)格為一天的每一個(gè)小時(shí)的段。這是通過生產(chǎn)者和權(quán)力分銷商之間的拍賣系統(tǒng)來完成的。分銷商確定他們?cè)诿啃r(shí)期望需要多少電力，供應(yīng)商根據(jù)他們產(chǎn)生該電力的預(yù)期成本進(jìn)行投標(biāo)。根據(jù)特定時(shí)間的需求，這些價(jià)格可能很低，如果只是基本天然氣例如，需要植物，或者如果需求需要使用更昂貴的“峰值”發(fā)電廠，它們可以更高。在每次拍賣結(jié)束時(shí)，經(jīng)銷商會(huì)計(jì)算出滿足預(yù)計(jì)需求需要多少出價(jià)，然后要向所有供應(yīng)商支付的價(jià)格由所有接受的最高價(jià)格出價(jià)確定。那個(gè)小時(shí)。

但是，當(dāng)生產(chǎn)非常便宜的電力 - 太陽能，風(fēng)能和核電，其實(shí)際運(yùn)營成本非常小 - 可以供應(yīng)足以滿足需求時(shí)，該系統(tǒng)可能導(dǎo)致奇怪的結(jié)果。然后，供應(yīng)商獲得的電力價(jià)格可能接近于零，使工廠變得不經(jīng)濟(jì)。

但是，通過加熱大量的耐火磚，將大部分多余的產(chǎn)量轉(zhuǎn)移到熱儲(chǔ)存中，然后直接銷售熱量或者用它來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并在需要時(shí)產(chǎn)生動(dòng)力，F(xiàn)IRES可以基本上設(shè)定市場(chǎng)價(jià)格的下限。電力可能與天然氣價(jià)格有關(guān)。反過來，這可能有助于使更多無碳電源，如太陽能，風(fēng)能和核能，更有利可圖，從而鼓勵(lì)其擴(kuò)張。

隨著可再生能源裝置的增加，由于非化石能源的擴(kuò)張導(dǎo)致的電價(jià)崩潰已經(jīng)發(fā)生并將繼續(xù)增加。“在愛荷華州，加利福尼亞州和德國等電力市場(chǎng)，電力價(jià)格在高風(fēng)或太陽能輸出時(shí)降至接近零，”Forsberg說。一旦太陽能提供的發(fā)電量達(dá)到總發(fā)電量的15%左右，或者當(dāng)風(fēng)力達(dá)到總發(fā)電量的30%時(shí)，建造此類設(shè)施可能會(huì)變得無利可圖，除非有足夠的存儲(chǔ)容量來吸收多余的電力以供日后使用。使用。

目前，存儲(chǔ)多余電力的選擇主要限于電池或抽水電系統(tǒng)。相比之下，低技術(shù)耐火磚蓄熱系統(tǒng)的成本只有十分之一到四十分之一，F(xiàn)orsberg說。

耐火磚本身只是普通磚塊的一種變體，由粘土制成，能夠承受更高的溫度，最高可達(dá)1600攝氏度或更高。畢竟，生產(chǎn)粘土實(shí)際上很便宜，只是一種特殊的污垢 - 在約3500年前的考古遺址中發(fā)現(xiàn)了這種高溫磚，例如赫梯人在建造的煉鐵窯中什么是現(xiàn)在的土耳其。事實(shí)上，這些磚塊直到現(xiàn)在都存活下來，證明了它們的耐用性。

如今，通過改變粘土的化學(xué)成分，可以制造具有各種性質(zhì)的耐火磚。例如，放置在組件中心的磚可以具有高導(dǎo)熱性，使得它們可以容易地從電阻加熱器吸收熱量。這些磚塊很容易將熱量釋放到冷空氣中，吹過質(zhì)量塊以帶走工業(yè)用熱量。但是用于結(jié)構(gòu)外部的磚可以具有非常低的導(dǎo)熱率，從而形成絕緣殼以幫助保持中央堆的熱量。

FIRES的電流限制是電阻加熱器?，F(xiàn)有的低成本，可靠的加熱器僅達(dá)到約850℃。最終，F(xiàn)orsberg建議，磚本身可以制成導(dǎo)電的，這樣它們就可以作為低成本的電阻加熱器，產(chǎn)生和儲(chǔ)存熱量。用于這些耐火磚的有希望的材料是碳化硅，其已經(jīng)以大規(guī)模生產(chǎn)用于諸如砂紙的用途。Forsberg說，中國目前每年生產(chǎn)約100萬噸。

他說，將熱量轉(zhuǎn)化為電能是一項(xiàng)更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此很可能成為FIRES系統(tǒng)的下一代版本。這是因?yàn)橛锰烊粴獍l(fā)電廠的傳統(tǒng)渦輪機(jī)發(fā)電需要更高的溫度。他說，雖然工業(yè)過程的熱量在800攝氏度左右是可行的，但渦輪機(jī)需要加熱到至少1600℃的壓縮空氣。普通的電阻加熱器不能達(dá)到那么高，而且這種系統(tǒng)還需要一個(gè)封閉的壓力容器來處理所需的空氣壓力。但優(yōu)勢(shì)將是巨大的：加倍的工作溫度將減少產(chǎn)生的熱量成本的一半，F(xiàn)orsberg說。

Forsberg說，下一步將是建立一些全尺寸原型單元來證明現(xiàn)實(shí)條件下的原則，他預(yù)計(jì)到2020年將會(huì)發(fā)生這種情況。“我們正在為這些初始單位找到合適的客戶，”他說，這可能是一家公司，如乙醇精煉廠，它使用大量的熱量，位于相當(dāng)大的風(fēng)力渦輪機(jī)安裝附近。

“我相信FIRES是一種解決真正力量的創(chuàng)新方法電網(wǎng)問題，“西屋電氣公司現(xiàn)已退休的首席技術(shù)官瑞吉斯·馬齊(Regis Matzie)說，他沒有參與這項(xiàng)工作。在這個(gè)國家確定電價(jià)的方式產(chǎn)生了”產(chǎn)生低電平或低電壓的電力市場(chǎng)“當(dāng)電網(wǎng)中很大一部分電能由可再生能源提供時(shí)，負(fù)市場(chǎng)價(jià)格，“他說。”糾正這一趨勢(shì)的一個(gè)非常積極的方法是部署一種經(jīng)濟(jì)的方式來存儲(chǔ)低電力市場(chǎng)價(jià)格期間產(chǎn)生的能量，例如：當(dāng)可再生能源產(chǎn)生大量電力，然后在市場(chǎng)價(jià)格高時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量...... FIRES提供了一種潛在的經(jīng)濟(jì)方式來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但可能需要一個(gè)證明可操作性和經(jīng)濟(jì)性的證明。