Högteknologisk plan ersätter fossilgas med glödande tegelstenar

När vi föreställer oss den gröna energiomställningen tenderar vi att se vidsträckta fält med solpaneler, havsbaserade vindkraftverk och enorma lager fyllda med litiumjonbatterier. Vi tänker i termer av elektrisk ström.

Går man in i ett kommersiellt pappersbruk, en kartongfabrik eller en industriell livsmedelsanläggning inser man snabbt att elektricitet är irrelevant. Det som driver tung industri är ånga. Enorma, oavbrutna strömmar av skållhet högtrycksånga, som genereras dygnet runt av mullrande naturgaspannor.

Om ångan försvinner ens i några minuter stelnar smälta vätskor i rören, förpackningslinjer fastnar och råmaterial för miljontals US-dollar förstörs på ett ögonblick. Detta termiska behov utgör ungefär en fjärdedel av all global energiförbrukning, och det är den enskilt smutsigaste anledningen till att våra leveranskedjor förblir bundna till fossila bränslen.

Att koppla dessa fabriker till kemiska batterier är en ekonomisk återvändsgränd. Ett litiumjonbatterisystem som är tillräckligt stort för att koka industriellt vatten i tre dagar i sträck skulle kosta mer än själva fabriken.

För att lösa problemet bestämde sig ingenjörer inom ren energi för att sluta krångla till saker. I stället för att bygga futuristisk batterikemi fyller de isolerade stålbehållare med tusentals ton vanliga, billiga tegelstenar, värmer dem tills de glöder vitglödande och tar ut värmen vid behov.

Det absurda i att koka vatten med kemiska batterier

Utmaningen med att avkarbonisera fabriksvärme är att tung industri behöver kontinuerlig, högtemperatur termisk energi till mycket låga priser.

Sol- och vindkraft är nu de billigaste formerna av elektricitet på jorden, men de är intermittenta. Solen går ner, vinden avtar, och en fabriksgolv har inte råd att ta en paus. Om man försöker lagra den rena elektriciteten i litiumjonpaket och ladda ur den genom en elektrisk panna, faller ekonomin isär. Litiumceller försämras varje gång de cyklar, kräver tungt brutna mineraler som nickel och kobolt, och lagrar elektricitet som kemisk potential snarare än värme.

Att omvandla förnybar elektricitet till kemisk energi, lagra den, omvandla den tillbaka till elektricitet och sedan leda den strömmen genom en värmeslinga slösar energi och kapital i varje steg av kedjan.

Det enklare svaret är att eliminera mellanhanden: ta billig ren energi, omvandla den direkt till värme i samma ögonblick som den genereras, och fånga den värmen inuti ett objekt som vägrar att smälta.

Moderniserar ett nittonhundratalstrick från masugnen

Hemligheten bakom ett termiskt tegelbatteri är ett material som ståltillverkare har förlitat sig på sedan industriella revolutionen: eldfast tegel.

Eldfasta tegelstenar är täta, keramikliknande block gjorda av vardagliga mineraler som aluminiumoxid, kiseldioxid och magnesiumoxid. De konstruerades ursprungligen för att bekläda insidan av masugnar och smältjärnsdeglar eftersom de kan sitta i blåsande temperaturer utan att spricka, smälta eller kemiskt brytas ned. De är i huvudsak konstgjorda vulkaniska stenar utformade för att absorbera värme och hålla den.

Företag som Rondo Energy tog den hundra år gamla metallurgitekniken och mekaniserade den till ett modulärt batteri.

Konceptet fungerar som en överdimensionerad brödrost. När det regionala elnätet har ett överskott av billig solenergi vid middagstid eller överskottsvind klockan 3 på morgonen, leds den billiga elektriciteten genom kraftiga elektriska motståndselement som är trådade mellan staplar av tusentals ton eldfasta tegelstenar. Under några timmar överhettar elementen tegelkärnan till temperaturer över 1 000 °C (över 1 800 °F).

När tegelstenarna når temperatur glöder de intensivt gul-orange inuti ett lufttätt, kraftigt isolerat stålskal. Eftersom behållaren är konstruerad för att eliminera termiska bryggor, förblir den yttre ytan säker att röra vid medan kärnan håller tusentals megawattimmar värme i dagar med mindre än 1 procent daglig energiförlust.

Ansluter till den befintliga fabriksgolvet

Att lagra värme är bara halva striden; den verkliga ingenjörsprestationen är att få ut den energin som förutsägbar, stadig industriell ånga.

Tegelstaplarna tillverkas med kontinuerliga vertikala och horisontella luftvägar som löper genom gallret. När en produktionslinje kräver ånga, drar ett automatiserat intag in omgivande luft och tvingar den genom kanalerna i den glödande tegelkärnan. Luften värms upp till ugnstemperaturer på några sekunder.

Den överhettade luften blåses sedan över vattenrör i en intilliggande värmeväxlare, vilket blixtkokar vattnet till trycksatt ånga. Genom att justera en enkel uppsättning luftspjäll kan systemet ställa in exakt den temperatur och det tryck fabriken behöver – oavsett om det är mild 150 °C ånga för att baka bröd eller 500 °C värme för att härda kemikalier.

Eftersom det inte finns några känsliga kemiska reaktioner eller expanderande anoder, lider termiska tegelstenar inte av kapacitetsförsämring. Medan ett litiumbatteripaket börjar mattas efter fem till sju års kontinuerlig daglig cykling, kan en stapel eldfasta tegelstenar cykla från kallt till vitglödande varje dag i fyrtio år utan att förlora prestanda. Ännu bättre, tur-och-retur-effektiviteten för att leverera värme ligger på över 90 procent.

Den enkla vägen bort från pannrummet

Den främsta anledningen till att fabriksägare faktiskt skriver kontrakt för dessa enheter är att de inte kräver ombyggnad av hela monteringslinjen.

Fabrikschefer behöver inte kasta bort sin befintliga tillverkningsutrustning eller spendera hundratals miljoner på att omforma sina produktionsgolv. Det termiska batteriet står ute på parkeringsplatsen eller bangården, anslutet till en elektrisk anslutning på ena sidan och fabrikens befintliga ångfördelare på den andra. När gaspriserna skjuter i höjden, eller när koldioxidavgifter träder i kraft, öppnar fabriken ventilen till tegelbatteriet och stryper ner den fossila brännaren.

Vi har tillbringat två decennier övertygade om att åtgärda industriella utsläpp skulle kräva ett teknologiskt mirakel – som att bygga ett globalt vätgasledningsnätverk eller bygga små modulära kärnreaktorer på fabriksområden. Det visar sig att det snabbaste sättet att vänja tung industri av med fossilgas kanske bara är en mycket het hög med tegelstenar.