耐火砖为无碳能源提供低成本存储

自赫梯时代以来，设计用于承受高温的耐火砖已经成为我们技术武器库的一部分至少三千年。现在，麻省理工学院研究人员的一项提案表明，这项古老的发明可以在使世界摆脱化石燃料并依赖无碳能源方面发挥关键作用。

研究人员的想法是利用需求较低时产生的多余电力 - 例如，当风力强劲的夜间吹风时风电场 - 通过使用电阻加热器将电能转化为热能。这些设备将使用多余的电力来加热大量的耐火砖，如果它们被封闭在绝缘套管中，则可以长时间保持热量。在以后的时间，热量可以直接用于工业过程，或者它可以为发电机供电，当需要电力时将其转换回电力。

该技术本身已经陈旧，但其潜在的用途是一种新现象，这种现象是由间歇性可再生能源的快速增长以及电价设定方式的特殊性所带来的。从技术上讲，该系统“可能是在20世纪20年代开发的，但当时没有市场，”麻省理工学院核科学与工程系研究科学家，描述该计划的研究论文的主要作者Charles Forsberg说。本周出现在电力期刊上。

福斯伯格指出，美国和大多数工业化地区对工业热的需求实际上大于电力总需求。与电力需求不同，电力需求变化很大且往往难以预测，对工业热量的需求是恒定的，并且可以在可用的时候利用额外的热源，为这种基于耐火砖的系统提供的热量提供几乎无限的市场。

该系统，Forsberg称之为FIRES(用于FIrebrick Resistance-heating Energy Storage)，实际上会提高公用事业市场的最低电价，目前在高产量时可以降至几乎为零，例如阳光灿烂的日子，太阳能发电厂的产量达到顶峰。

电力价格的确定提前一天，一个独立的价格为一天的每一个小时的段。这是通过生产者和权力分销商之间的拍卖系统来完成的。分销商确定他们在每小时期望需要多少电力，供应商根据他们产生该电力的预期成本进行投标。根据特定时间的需求，这些价格可能很低，如果只是基本天然气例如，需要植物，或者如果需求需要使用更昂贵的“峰值”发电厂，它们可以更高。在每次拍卖结束时，经销商会计算出满足预计需求需要多少出价，然后要向所有供应商支付的价格由所有接受的最高价格出价确定。那个小时。

但是，当生产非常便宜的电力 - 太阳能，风能和核电，其实际运营成本非常小 - 可以供应足以满足需求时，该系统可能导致奇怪的结果。然后，供应商获得的电力价格可能接近于零，使工厂变得不经济。

但是，通过加热大量的耐火砖，将大部分多余的产量转移到热储存中，然后直接销售热量或者用它来驱动涡轮机并在需要时产生动力，FIRES可以基本上设定市场价格的下限。电力可能与天然气价格有关。反过来，这可能有助于使更多无碳电源，如太阳能，风能和核能，更有利可图，从而鼓励其扩张。

随着可再生能源装置的增加，由于非化石能源的扩张导致的电价崩溃已经发生并将继续增加。“在爱荷华州，加利福尼亚州和德国等电力市场，电力价格在高风或太阳能输出时降至接近零，”Forsberg说。一旦太阳能提供的发电量达到总发电量的15%左右，或者当风力达到总发电量的30%时，建造此类设施可能会变得无利可图，除非有足够的存储容量来吸收多余的电力以供日后使用。使用。

目前，存储多余电力的选择主要限于电池或抽水电系统。相比之下，低技术耐火砖蓄热系统的成本只有十分之一到四十分之一，Forsberg说。

耐火砖本身只是普通砖块的一种变体，由粘土制成，能够承受更高的温度，最高可达1600摄氏度或更高。毕竟，生产粘土实际上很便宜，只是一种特殊的污垢 - 在约3500年前的考古遗址中发现了这种高温砖，例如赫梯人在建造的炼铁窑中什么是现在的土耳其。事实上，这些砖块直到现在都存活下来，证明了它们的耐用性。

如今，通过改变粘土的化学成分，可以制造具有各种性质的耐火砖。例如，放置在组件中心的砖可以具有高导热性，使得它们可以容易地从电阻加热器吸收热量。这些砖块很容易将热量释放到冷空气中，吹过质量块以带走工业用热量。但是用于结构外部的砖可以具有非常低的导热率，从而形成绝缘壳以帮助保持中央堆的热量。

FIRES的电流限制是电阻加热器。现有的低成本，可靠的加热器仅达到约850℃。最终，Forsberg建议，砖本身可以制成导电的，这样它们就可以作为低成本的电阻加热器，产生和储存热量。用于这些耐火砖的有希望的材料是碳化硅，其已经以大规模生产用于诸如砂纸的用途。Forsberg说，中国目前每年生产约100万吨。

他说，将热量转化为电能是一项更大的技术挑战，因此很可能成为FIRES系统的下一代版本。这是因为用天然气发电厂的传统涡轮机发电需要更高的温度。他说，虽然工业过程的热量在800摄氏度左右是可行的，但涡轮机需要加热到至少1600℃的压缩空气。普通的电阻加热器不能达到那么高，而且这种系统还需要一个封闭的压力容器来处理所需的空气压力。但优势将是巨大的：加倍的工作温度将减少产生的热量成本的一半，Forsberg说。

Forsberg说，下一步将是建立一些全尺寸原型单元来证明现实条件下的原则，他预计到2020年将会发生这种情况。“我们正在为这些初始单位找到合适的客户，”他说，这可能是一家公司，如乙醇精炼厂，它使用大量的热量，位于相当大的风力涡轮机安装附近。

“我相信FIRES是一种解决真正力量的创新方法电网问题，“西屋电气公司现已退休的首席技术官瑞吉斯·马齐(Regis Matzie)说，他没有参与这项工作。在这个国家确定电价的方式产生了”产生低电平或低电压的电力市场“当电网中很大一部分电能由可再生能源提供时，负市场价格，“他说。”纠正这一趋势的一个非常积极的方法是部署一种经济的方式来存储低电力市场价格期间产生的能量，例如：当可再生能源产生大量电力，然后在市场价格高时释放储存的能量...... FIRES提供了一种潜在的经济方式来实现这一目标，但可能需要一个证明可操作性和经济性的证明。