Технологическое тепло относится к применению тепла во время промышленных процессов . [1] Некоторые формы технологического тепла используются во время производства многих обычных продуктов, от бетона до стекла , стали и бумаги . Если имеются побочные продукты или отходы общего промышленного процесса, они часто используются для обеспечения технологического тепла. Примерами служат черный щелок при производстве бумаги или жом при переработке сахарного тростника.
Требуемая температура процесса сильно варьируется, при этом около половины промышленного технологического тепла имеет рабочие температуры выше 400 °C (752 °F). Эти более высокотемпературные процессы, как правило, могут обеспечиваться только специальными источниками, такими как природный газ или уголь , хотя предварительный нагрев из других источников также распространен с целью сокращения потребления топлива. Процессы, работающие ниже медианного значения, могут использовать гораздо более широкий спектр источников, включая отходящее тепло от других процессов в том же промышленном процессе. Резистивный нагрев теоретически мог бы быть возможным источником технологического тепла, но даже при том, что он преобразует почти 100% поставляемой электроэнергии в тепло, очевидно, что менее эффективно сжигать топливо на тепловой электростанции для производства электроэнергии только для использования этой электроэнергии для технологического тепла, чем использовать топливо напрямую. Таким образом, этот источник тепла используется только там, где электричество из нетепловых источников (например, гидроэнергетика ) дешево и в изобилии. Тепловые насосы , которые обычно используются для отопления домов, нагрева воды и других тепловых приложений ниже 100 °C (212 °F), имеют слишком низкую эффективность Карно при большой разнице температур между «горячим» и «холодным» концом, чтобы быть полезными. Некоторые процессы, такие как электролиз расплавленной соли, обеспечивают необходимое технологическое тепло тем же электричеством, которое также необходимо для поддержания эндотермической реакции. Тепло обычно описывается «градусом», причем более высокие температуры имеют более высокий «градус». Это связано с тем, что тепло естественным образом перетекает от горячего к холодному, и поэтому всегда можно использовать высокотемпературный источник тепла для приложений с более низкой температурой, но не наоборот. Поскольку производство высокотемпературного тепла более обременительно и дорого, а материалы имеют ограниченную термостойкость, предпринимаются попытки снизить рабочие температуры везде, где это возможно, с помощью катализаторов и флюсов . В равновесных реакциях , где температура является одним из факторов, влияющих на равновесие, требования к температуре можно снизить, удалив желаемые продукты в непрерывном процессе . Например, если равновесная реакция между AB и CD производит AC и BD, и равновесие можно сместить вправо путем повышения температуры, непрерывное удаление AC или BD из реакции может служить для снижения требований к температуре (ср. принцип Ле Шателье ). Однако существуют ограничения, поскольку скорость реакции также зависит от температуры. Катализаторы могут служить для увеличения скорости реакции при любой заданной температуре, но они, по определению, не смещают равновесие.
По данным Министерства энергетики США , в 2018 году на долю технологического тепла приходилось около 50% потребления энергии в производственном секторе, а также 30% выбросов парниковых газов . [1] Соответственно, необходимо приложить значительные усилия для внедрения новых форм поставок углеродно-нейтрального или, по крайней мере, низкоуглеродного технологического тепла.
Некоторые отходы, включая изношенные шины , обычно используются в качестве заменяющего топлива или смешиваются с обычным топливом в соответствующих пропорциях. [2] Другие потенциальные источники с низким содержанием углерода включают биомассу , которая уже широко используется в промышленности, в то время как геотермальная , концентрированная солнечная энергия и ядерная энергия остаются экспериментальными по состоянию на 2024 год.
Одной из проблем использования ядерной энергии для получения технологического тепла является то, что реакторы с водой под давлением , обычно используемые для выработки электроэнергии, имеют рабочую температуру значительно ниже 400 °C (752 °F) [3] , а реакторы с кипящей водой работают при еще более низких температурах, около 285 °C (545 °F). [4] Другие конструкции реакторов, в частности высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (HTGR), могут быть пригодны для выработки технологического тепла. Усовершенствованные газоохлаждаемые реакторы , построенные в Соединенном Королевстве , имели высокую температуру на выходе теплоносителя (610 °C) в качестве явной цели проектирования для повышения тепловой эффективности. [5] Особый интерес представляют конструкции малых модульных реакторов , которые могут быть построены на месте для выработки технологического тепла. Китайский HTR-PM , HTGR IV поколения мощностью 250 МВт , имеет выходную температуру 750 °C (1380 °F). [6] По состоянию на 2024 год это единственный высокотемпературный малый модульный реактор, который в настоящее время находится в эксплуатации.
Аналогично, геотермальные источники тепла часто имеют относительно низкие температуры, иногда даже требуя бинарных циклов для выработки электроэнергии. [7] [8]
Временным решением для декарбонизации ценой возросших затрат (игнорируя цены на углерод ) и более низкой эффективности кругового пути является замена в настоящее время используемого ископаемого топлива на топливо, полученное из Power to X. [ требуется ссылка ] Хотя этот подход имеет преимущество в том, что его можно использовать с существующей технологией с минимальными или нулевыми изменениями, он менее эффективен, чем даже резистивный нагрев, поскольку химические процессы, необходимые для превращения электрической энергии в искусственное топливо, менее эффективны, чем резистивный нагрев. Однако в процессах, где топливо обеспечивает как тепло, так и химическую функцию (например, кокс в качестве восстановителя при производстве стали), топливо Power to X может быть единственной возможной низкоуглеродной альтернативой в течение некоторого времени в будущем. Водород, полученный с помощью таких процессов, как электролиз воды, часто предлагается в качестве альтернативы текущим источникам технологического тепла. [ необходима цитата ] Водород уже широко используется в промышленности сегодня, но в основном его получают из ископаемого топлива с помощью таких процессов, как паровой риформинг по состоянию на 2022 год. Поскольку некоторые предлагаемые процессы производства водорода, такие как цикл серы и йода, сами по себе требуют высоких температур, их осуществимость для получения водорода в качестве топлива для технологического тепла в отличие от прямого использования тепла, необходимого для процесса, кажется сомнительной. [ необходима цитата ]