کربن زدایی صنایع سنگین با باتری حرارتی | اخبار MIT

چه سیمان، فولاد، مواد شیمیایی یا کاغذ تولید کنید، به مقدار زیادی گرما نیاز دارید. تقریباً بدون استثنا، تولید کنندگان در سراسر جهان این گرما را با سوزاندن سوخت های فسیلی ایجاد می کنند.

در تلاش برای پاکسازی بخش صنعتی، برخی استارت آپ ها در حال تغییر فرآیندهای تولید مواد خاص هستند. برخی حتی خود مواد را تغییر می دهند. Daniel Stack SM ’17, PhD ’21 در تلاش است تا با جایگزینی منبع گرما به انتشار گازهای گلخانه ای صنعتی در سراسر صفحه بپردازد.

از زمان ورود به MIT در سال 2014، Stack روی ساخت باتری‌های حرارتی کار کرده است که از الکتریسیته برای گرم کردن نسخه رسانا از آجرهای نسوز سرامیکی استفاده می‌کنند که برای قرن‌ها به عنوان ذخیره‌کننده گرما و عایق استفاده می‌شوند. در سال 2021، Stack شرکت Electriified Thermal Solutions را تأسیس کرد که از آن زمان نشان داده است که آجرهای نسوز آن می توانند گرما را به طور مؤثری برای ساعت ها ذخیره کرده و با گرم کردن هوا یا گاز تا 3272 درجه فارنهایت – به اندازه کافی داغ برای تامین انرژی مورد نیازترین کاربردهای صنعتی، آن را تخلیه کنند.

دستیابی به دمای شمالی 3000 درجه فارنهایت نشان دهنده پیشرفتی برای صنعت گرمایش الکتریکی است، زیرا برخی از بخش های جهان را که سخت ترین کربن زدایی می کنند قادر می سازد برای اولین بار از انرژی های تجدید پذیر استفاده کنند. همچنین یک مدل جدید و کم‌هزینه را برای استفاده از برق در زمانی که ارزان‌ترین و تمیزترین آن است، باز می‌کند.

استک می‌گوید: «ما چشم‌انداز جهانی در برق‌بندی حرارتی داریم، اما در ایالات متحده طی پنج سال گذشته، شاهد ظهور یک فرصت باورنکردنی در قیمت‌های انرژی بوده‌ایم که به نفع برداشت انعطاف‌پذیر برق است. وی افزود: در سراسر کشور به ویژه در کمربند بادی، قیمت برق در بسیاری از نقاط در بیش از 20 درصد سال منفی است و روند کاهش قیمت برق در ساعات غیر پیک یک پدیده سراسری است. فن‌آوری‌هایی مانند باتری حرارتی Joule Hive ما را قادر می‌سازد تا به این برق ارزان و تمیز دسترسی داشته باشیم و بدون در نظر گرفتن تأثیر مثبت آب و هوا، با سوخت‌های فسیلی بر سر قیمت برای نیازهای گرمایش صنعتی رقابت کنیم.»

رویکردی جدید به یک فناوری قدیمی

برنامه های تحقیقاتی استک زمانی که در سال 2014 به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد به دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای MIT پیوست، به سرعت تغییر کرد.

استک می‌گوید: «من با هیجان برای کار روی نسل بعدی راکتورهای هسته‌ای به MIT رفتم، اما چیزی که تقریباً از روز اول روی آن تمرکز کردم، نحوه گرم کردن آجرها بود. “آن چیزی که انتظار داشتم نبود، اما وقتی با مشاورم صحبت کردم، [Principal Research Scientist] چارلز فورسبرگ، در مورد ذخیره انرژی و اینکه چرا نه تنها برای انرژی هسته ای بلکه برای کل انتقال انرژی ارزشمند است، متوجه شدم هیچ پروژه ای وجود ندارد که ترجیح دهم روی آن کار کنم.

آجرهای نسوز آجرهای سفالی ارزان قیمتی هستند که در همه جا حاضر هستند و هزاران سال است که در شومینه‌ها و اجاق‌ها استفاده می‌شوند. در سال 2017، فورسبرگ و استک مقاله‌ای نوشتند که پتانسیل آجرهای نسوز را برای ذخیره گرما از منابع تجدیدپذیر نشان می‌داد، اما سیستم همچنان از گرمکن‌های مقاومت الکتریکی استفاده می‌کرد – مانند کویل‌های فلزی در توسترها و بخاری‌های فضایی – که خروجی دمای آن را محدود می‌کرد.

برای کار دکترا، استک با فورسبرگ برای ساخت آجرهای نسوز که رسانای الکتریکی بودند، کار کرد و جایگزین گرمکن‌های مقاومتی شد تا آجرها مستقیماً گرما را تولید کنند.

استک توضیح می‌دهد: «هیترهای برقی بزرگ‌ترین محدودکننده شما هستند: خیلی سریع می‌سوزند، خراب می‌شوند، به اندازه کافی داغ نمی‌شوند. ایده این بود که از بخاری‌ها صرفنظر کنیم، زیرا آجرهای نسوز خود واقعاً مواد ارزان و فراوانی هستند که می‌توانند تا دمای شعله‌مانند بروند و روزها در آنجا بمانند.»

فورسبرگ و استک توانستند با اصلاح ترکیب شیمیایی آجرهای نسوز سنتی، آجرهای نسوز رسانا ایجاد کنند. آجرهای Electrified Thermal 98 درصد شبیه آجرهای نسوز موجود هستند و با استفاده از فرآیندهای مشابه تولید می‌شوند و به تولیدکنندگان فعلی اجازه می‌دهند تا آنها را ارزان بسازند.

در اواخر دوره دکترای خود، استک متوجه شد که این اختراع می تواند تجاری شود. او شروع به شرکت در کلاس‌های مدرسه مدیریت اسلون MIT و گذراندن وقت در مرکز اعتماد مارتین برای کارآفرینی MIT کرد. او همچنین وارد برنامه StartMIT و برنامه I-Corps شد و از حمایت وزارت انرژی ایالات متحده و سرویس مشاوره سرمایه گذاری MIT (VMS) برخوردار شد.

استک می گوید: «از طریق اکوسیستم بوستون، اکوسیستم MIT، و با کمک وزارت انرژی، ما توانستیم این را از آزمایشگاه MIT راه اندازی کنیم. “آنچه که ما چرخانده ایم یک آجر نسوز رسانای الکتریکی یا چیزی است که ما از آن به عنوان آجر الکترونیکی یاد می کنیم.”

The Electrified Thermal شامل آرایه‌های آجر نسوز خود در جعبه‌های فلزی عایق‌شده و دور از قفسه است. اگرچه این سیستم بسته به استفاده نهایی بسیار قابل تنظیم است، اما سیستم استاندارد این شرکت می تواند حدود 5 مگاوات انرژی را جمع آوری و آزاد کند و حدود 25 مگاوات ساعت را ذخیره کند.

این شرکت توانایی سیستم خود را در تولید دماهای بالا نشان داده است و سیستم خود را در دفتر مرکزی خود در مدفورد، ماساچوست دوچرخه سواری کرده است. این کار مجموعاً 40 میلیون دلار از دفاتر مختلف وزارت انرژی برای توسعه فناوری و همکاری با تولیدکنندگان به دست آورده است.

Stack می‌گوید: «در مقایسه با سایر گرمایش‌های الکتریکی، ما می‌توانیم گرم‌تر و طولانی‌تر از هر راه‌حل دیگری در بازار کار کنیم. این به معنای جایگزینی سوخت‌های فسیلی در بسیاری از سایت‌های صنعتی است که نمی‌توانستند کربن‌زدایی کنند.»

مقیاس بندی برای حل یک مشکل جهانی

Electrified Thermal با صدها شرکت صنعتی از جمله تولید کنندگان سیمان، فولاد، شیشه، مواد شیمیایی اولیه و تخصصی، مواد غذایی و آشامیدنی و خمیر و کاغذ درگیر است.

استک می‌گوید: «چالش گرمایش صنعتی بر همه افراد زیر نور خورشید تأثیر می‌گذارد. همه آنها اساساً مشکل مشابهی دارند و آن این است که گرمای خود را به روشی مقرون به صرفه و کربن صفر برای انتقال انرژی دریافت می کنند.

این شرکت در حال حاضر در حال ساخت یک نسخه تجاری در مقیاس مگاوات از سیستم خود است که انتظار دارد در هفت ماه آینده عملیاتی شود.

استک می‌گوید: «سال آینده یک نقطه اثبات بزرگ برای صنعت خواهد بود. ما از سیستم تجاری برای نمایش انواع نقاط عملیاتی که مشتریان باید ببینند استفاده خواهیم کرد، و امیدواریم تا پایان سال سیستم‌هایی را در سایت‌های مشتریان اجرا کنیم. این یک دستاورد بزرگ و اولین دستاورد گرمایش الکتریکی خواهد بود، زیرا هیچ راه حل دیگری در بازار نمی تواند دمایی را که ما می توانیم خاموش کنیم، از بین ببرد.

با همکاری با تولیدکنندگان برای تولید آجرهای نسوز و روکش‌های خود، Electrified Thermal امیدوار است بتواند سیستم‌های خود را به سرعت و با هزینه کم در یک صنعت عظیم مستقر کند.

Stack می‌گوید: «از همان ابتدا، ما این آجرهای الکترونیکی را طوری مهندسی کردیم که به سرعت مقیاس‌پذیر و به سرعت در زنجیره‌های تأمین موجود و فرآیندهای تولید تولید شوند». «اگر می‌خواهید صنایع سنگین را کربن‌زدایی کنید، هیچ راهی ارزان‌تر از تبدیل برق به گرما از دارایی‌های برق بدون کربن وجود نخواهد داشت. ما به دنبال این هستیم که فناوری برتری باشیم که این قابلیت‌ها را باز کند، با درصدهای دو رقمی انرژی جهانی که از طریق سیستم ما جریان می‌یابد، همانطور که ما انتقال انرژی را انجام می‌دهیم.»