PNAS Nexus: Технология бронзового века поможет перейти на чистую энергию

Исследование Стэнфорда показало, что технология, которая появилась ещё в бронзовом веке, может помочь достичь одной из целей устойчивого развития ООН — нулевых выбросов к 2050 году.

Технология заключается в том, чтобы собирать теплопоглощающие кирпичи в изолированный контейнер. Там они накапливают тепло от солнечной или ветровой энергии. Это тепло можно использовать при нужной температуре для промышленных процессов.

Если необходимо, тепло можно высвободить, пропуская воздух через каналы в штабелях «огнеупорных кирпичей». Благодаря этому цементные, сталелитейные, стекольные и бумажные заводы смогут работать на возобновляемой энергии даже без ветра и солнечного света.

Некоторые компании начали коммерциализировать системы для промышленного хранения тепла — это одна из форм хранения тепловой энергии.

Материалы для таких систем похожи на те, что используются в изоляционных кирпичах, которыми тысячи лет назад выкладывали примитивные печи и печи для производства железа. Чтобы оптимизировать их для хранения тепла, материалы комбинируются в разных количествах.

Батареи накапливают электроэнергию из возобновляемых источников и выдают электричество для выработки тепла по требованию.

Профессор Марк З. Якобсон из Стэнфордской школы устойчивого развития и инженерной школы Доерра отмечает, что огнеупорный кирпич хранит тепло, а не электричество, и стоит на одну десятую дешевле батарей. Кроме того, материалы для кирпича проще, в основном это компоненты грязи.

Хранение большого количества тепла

Многие отрасли промышленности используют высокотемпературное тепло в производстве.

Для производства цемента нужна температура не менее 1300 °C, а для стекла, железа и стали — от 1000 °С.

Около 17% мировых выбросов углекислого газа происходит из-за сжигания ископаемого топлива для получения тепла в промышленности. Однако использование возобновляемых источников энергии может полностью исключить эти выбросы.

Самбор, постдоктор наук в области гражданского и экологического строительства, говорит, что если энергия хранится в форме, близкой к конечному использованию, то её преобразование будет эффективнее. Это как хранить горячую воду для душа или лёд для напитков. В промышленности для получения тепла лучше использовать огнеупорные кирпичи.

Существенная экономия

Исследователи изучили, как огнеупорный кирпич поможет сохранить тепло в промышленных процессах. Они рассмотрели гипотетическую ситуацию, когда все страны перешли на использование ветровой, геотермальной, гидроэлектроэнергии и солнечной энергии. На эти 149 стран приходится почти весь объём выбросов углекислого газа от ископаемого топлива.

Джейкобсон отметил, что это первое исследование, где рассматривается переход на возобновляемые источники энергии с использованием огнеупорных кирпичей. По его словам, огнеупорные кирпичи позволяют быстрее и дешевле перейти на возобновляемую энергию, а это полезно для здоровья людей, климата, рабочих мест и энергетической безопасности.

Команда использовала компьютерные модели, чтобы сравнить два сценария гипотетического будущего. В 2050 году в 149 странах будут использовать возобновляемые источники энергии.

В одном сценарии огнеупорный кирпич обеспечивает 90% тепла для промышленных процессов. В другом сценарии тепло поступает от электрических печей, нагревателей, котлов и тепловых насосов. Для хранения электроэнергии используются аккумуляторы.

Исследователи выяснили, что применение огнеупорного кирпича может уменьшить капитальные затраты на 1,27 триллиона долларов в 149 странах. При этом снизится потребление энергии из сети и необходимость в аккумуляторах.

Чистая энергия, чистый воздух

Решения, которые помогут ускорить переход на чистую энергию, также полезны для здоровья человека.

Загрязнение воздуха из-за сжигания ископаемого топлива приводит к миллионам преждевременных смертей в год. Джейкобсон отмечает, что замена топлива электричеством снизит загрязнение воздуха. А чем меньше будет стоить система, тем быстрее её удастся внедрить, учитывая ограниченный бюджет.

Джейкобсон изучал проблемы загрязнения воздуха и изменения климата, а также разрабатывал энергетические планы для их решения. Недавно он заинтересовался огнеупорными кирпичами, чтобы найти быстрое и эффективное решение.

Он говорит, что дорогой и сложный метод перехода на возобновляемое электричество не будет популярным. Но если этот метод позволит сэкономить деньги, его внедрят быстрее.

Радует то, что эффект от метода велик. Многие технологии оказывали незначительное влияние, а здесь видна существенная выгода при низких затратах. Метод поможет снизить смертность от загрязнения воздуха и поспособствует переходу мира на экологически чистые возобновляемые источники энергии.

Результаты опубликованы в PNAS Nexus.

03.08.2024