Günümüz endüstrileri üretim için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyuyor ve bu da büyük ölçüde sürekli olarak kömür, petrol, fosil gaz veya biyokütle yakılarak elde ediliyor. Dünyanın büyük bir kısmı fosil yakıtlardan rüzgar, güneş ve hidroelektrik gibi yenilenebilir kaynaklara geçiş yaparak emisyonları azaltmaya odaklanmışken, soru, %100 yenilenebilir bir dünyada endüstrilere talep üzerine sürekli ısının nasıl sağlanacağıdır.
Yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada, Stanford Üniversitesi İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü'nden araştırmacılar, eski bir çözüm olan ateş tuğlalarının cevap olabileceğini öne sürdüler.
İnşaat ve çevre mühendisliği alanında doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın yazarlarından Daniel Sambor, "Enerjiyi son kullanımına en yakın biçimde depolayarak, enerji dönüşümündeki verimsizlikleri azaltmış olursunuz" dedi. "Bizim alanımızda sık sık 'sıcak duş istiyorsanız sıcak su depolayın, soğuk içecek istiyorsanız buz depolayın' denir; bu çalışma da 'sanayi için ısıya ihtiyacınız varsa ateş tuğlalarında depolayın' şeklinde özetlenebilir."
Rüzgar ve güneşten elde edilen enerji dalgalanmalar gösterdiğinden, yanan yakıtların yerini alan kaynakların elektrik veya ısı depolama kapasitesine sahip olması önemlidir. Yüksek sıcaklıklara zarar görmeden dayanabilen refrakter tuğlalar binlerce yıldır — muhtemelen Bronz Çağı'nın başlarından beri — fırınları, ocakları, şömineleri ve fırınları kaplamak için kullanılmaktadır.
Refrakter tuğlalara benzer şekilde, ateş tuğlaları da yapıldıkları malzemeye bağlı olarak ısı depolayabilir veya yalıtım sağlayabilir. Isı depolama için kullanılan ateş tuğlaları yüksek özgül ısıya (bir maddenin sıcaklığını 1 °C (1,8 °F) değiştirmek için 1 g maddenin emmesi veya kaybetmesi gereken ısı miktarı) ve yüksek erime noktasına sahip olmalıdır. Bu özelliklere sahip ideal düşük maliyetli ateş tuğlası malzemeleri arasında alümina ve magnezya veya düşük dereceli grafit bulunur. Yalıtım ateş tuğlaları yüksek sıcaklıklara dayanmalı ancak ısı akışına direnmek ve çevrelerinden yavaşça ısı almak için düşük ısı iletkenliğine sahip olmalıdır. Silika düşük ısı iletkenliğine sahiptir, bu nedenle bu tür ateş tuğlalarında düzenli olarak kullanılır.
Isı depolayan ateş tuğlaları, ısı kaybını daha da azaltmak için daha yalıtkan olan başka bir ateş tuğlası türü ve ardından kalın bir çelik kap gibi çelikle çevrelenir. Proses ısısı, düşük ila yüksek sıcaklıkta hava üretmek için tuğlalardaki kanallardan ortam veya geri dönüştürülmüş hava geçirilerek talep üzerine ateş tuğlalarından çekilebilir veya doğrudan kırmızı-sıcak tuğlalardan kızılötesi radyasyon emisyonundan elde edilebilir. Ateş tuğlalarının kullanılması, elektrik depolamanın yerini ateş tuğlası depolamanın alması nedeniyle yenilenebilir elektriğin batarya veya yeşil hidrojen depolanması ihtiyacını ortadan kaldırır.
Bu çalışmanın amacı, 2050 yılındaki varsayımsal bir gelecekte %100 temiz ve yenilenebilir enerjiye geçiş yapmış 149 ülkede endüstriyel proses ısısının çoğunu depolamak için ateş tuğlası kullanmanın etkisini incelemektir. Seçilen 149 ülke, küresel olarak fosil yakıt karbondioksit (CO2) emisyonlarının %99,75'inin üretiminden sorumludur. Araştırmacılar, iki senaryo için maliyetleri, arazi ihtiyaçlarını, sağlık etkilerini ve emisyonları karşılaştırmak üzere bilgisayar modelleri kullandı: endüstriyel proses ısısının %90'ını ateş tuğlalarının sağladığı bir senaryo ve hiç ateş tuğlası kullanılmayan bir senaryo.
Stanford Doerr Sürdürülebilirlik Okulu'nda inşaat ve çevre mühendisliği profesörü ve çalışmanın başyazarı Mark Jacobson, "Bizimki, çözümün bir parçası olarak ateş tuğlaları ile yenilenebilir enerjinin büyük ölçekli geçişini inceleyen ilk çalışma" dedi. "Ateş tuğlalarının yenilenebilir enerjilere daha hızlı ve daha düşük maliyetli bir geçiş sağladığını ve bunun sağlık, iklim, istihdam ve enerji güvenliği açısından herkese yardımcı olduğunu gördük."
149 ülke genelinde, ateş tuğlalarının kullanılmadığı senaryoya kıyasla, ateş tuğlası kullanımının 2050 yılında sermaye maliyetlerini 1,27 trilyon ABD doları gibi önemli bir oranda azalttığı tespit edildi. Ateş tuğlaları ayrıca bataryalardan enerji depolama kapasitesi ihtiyacını yaklaşık %14,5, şebeke elektriği için yıllık hidrojen üretimini yaklaşık %27,3, arazi ihtiyacını yaklaşık %0,4 ve genel yıllık enerji maliyetlerini yaklaşık %1,8 oranında azaltmıştır. 'Ateş tuğlasız' senaryoda, ülkelerin endüstriyel süreçler için ısıyı elektrikli fırınlardan, ısıtıcılardan, kazanlardan ve ısı pompalarından elde edeceği ve bu teknolojiler için elektrik depolamak üzere bataryaların kullanılacağı varsayılmıştır.
Jacobson, "Ateş tuğlası depolama ile batarya depolama arasındaki fark, ateş tuğlalarının elektrik yerine ısı depolaması ve bataryaların onda biri maliyetinde olmasıdır" dedi. "Malzemeler de çok daha basit. Temelde sadece toprak bileşenlerinden oluşuyorlar."
Çalışmada önemli bir soru ortaya çıkmaktadır: endüstriyel yanmadan kaynaklanan gazlar ve partiküller ile endüstriyel proses kimyasal reaksiyonlarından kaynaklanan CO2 emisyonları — özellikle çelik ve çimento imalatından — ateş tuğlalarının ele almadığı ne olacak? Araştırmacılar, elektrik ark ocakları, direnç fırınları ve kazanları, indüksiyon fırınları, elektron ışını ısıtıcıları ve dielektrik ısıtıcıların ateş tuğlaları tarafından kapsanmayan endüstriyel yanmayı kapsayabileceğini öne sürmektedir.
Çelik üretiminden kaynaklanan CO2 emisyonları, demir cevherini saf demire indirgemek için kok kömürü veya kömür yerine yeşil hidrojen kullanılarak ele alınabilir. Çimento üretiminden kaynaklanan CO2 ise, sıradan Portland çimentosu (OPC) üretimi sırasında kireçtaşı yerine bazalt (karbon içermeyen kalsiyum silikat kayası) ve OPC yerine jeopolimer çimento kullanılarak ortadan kaldırılabilir. Araştırmacılar, bu teknikleri ateş tuğlalarıyla birleştirerek, "karbon yakalamaya gerek kalmadan endüstriyel üretimden kaynaklanan hava kirliliğini ve CO2'nin tamamını olmasa da çoğunu ortadan kaldırmanın" mümkün olduğunu söylüyor.
Yüksek sıcaklıkta ısı depolayan ateş tuğlaları piyasada yaygın olarak bulunmaktadır. Araştırmacılar, yenilenebilir enerjilere geçişe yardımcı olmak için bunları kullanmanın süreci ucuz ve basit hale getireceğini, bu iki şeyin de insanları yeni çözümlerini desteklemeye çekeceğini umduklarını söylüyorlar.
Jacobson, "Yenilenebilir elektriğe geçiş için pahalı ve zor bir yöntem önerdiğimizi düşünün — çok az katılımcımız olurdu" dedi. "Ama eğer bu yöntem önceki bir yönteme kıyasla para tasarrufu sağlayacaksa, daha hızlı uygulanacaktır. Beni heyecanlandıran şey, etkinin çok büyük olması, oysa incelediğim pek çok teknolojinin marjinal etkileri var. Burada, hava kirliliği ölümlerinin azaltılmasına yardımcı olmaktan dünyanın temiz yenilenebilir enerjilere geçişini kolaylaştırmaya kadar birçok açıdan düşük maliyetle önemli bir fayda görebiliyorum."
Çalışma PNAS Nexus dergisinde yayımlandı.