电耐火砖：用热电池使重工业脱碳

  麻省理工学院旗下的电气化热解决方案公司开发出了一种导电耐火砖，可以在足够高的温度下储存热量，为工业生产提供动力。

  该系统可以在非高峰时段利用廉价、清洁的电力，可扩展，并准备通过利用零碳电力来源使重工业脱碳。

  水泥、钢铁、化工和造纸等制造业需要大量的热量，而这些热量通常是由燃烧化石燃料产生的。

  为了减少工业部门的碳足迹，一些初创公司正在重新思考材料的制造方式，甚至重新设计材料本身。麻省理工学院的校友丹尼尔·斯塔克（Daniel Stack）博士，他正在通过关注热源本身来解决排放的根本原因。

  自2014年加入麻省理工学院以来，斯塔克始终致力于开发以电力为动力的热电池。这些电池加热特殊设计的陶瓷耐火砖，传统上用于隔热和储热的材料。2021年，他与他人共同创立了电气化热能（Electrtrified Thermal Solutions）公司，该公司已证明，其电动耐火砖可以轻松又有效地储存热量数小时，并通过将空气或气体加热到高达3272华氏度的温度来释放热量，这足以驱动最耗能的工业过程。

  实现3000华氏度以上的温度是电加热行业的一个突破，因为它使世界上最难脱碳的一些行业首次能利用可再次生产的能源。它还开启了一种新的低成本模式，在最便宜、最清洁的时候使用电力。

  斯塔克说：“电气化热能企业具有全球视野，但在美国，过去5年里，我们正真看到能源价格会出现了一个令人难以置信的机会，有利于灵活的电力供应。在整个国家中部，特别是在风带，许多地方的电价在一年中有20%以上的时间是负的，而在非高峰时段电价下降的趋势是一个全国性的现象。像Joule Hive热电池这样的技术将使我们也可以获得这种廉价、清洁的电力，并在工业供暖需求的价格上与化石燃料进行正面竞争，甚至不考虑对气候的积极影响。”

  2014年，斯塔克进入麻省理工学院核科学与工程系攻读硕士学位后，他的研究计划很快发生了变化。

  斯塔克说：“我来到麻省理工学院，对下一代核反应堆的研究感到兴奋，但我几乎从第一天起就专注于如何加热砖块。这不是我所期望的，但当我和我的导师（首席研究科学家）查尔斯·福斯伯格（Charles Forsberg）谈论能源存储以及为什么它不仅对核电而且对整个能源转型都很有价值时，我认识到没什么项目是我更愿意从事的。”

  耐火砖是一种都会存在的廉价粘土砖，几千年来一直用于壁炉和烤箱。2017年，Forsberg和Stack共同撰写了一篇论文，展示了耐火砖储存可再生资源热量的潜力，但该系统仍然使用电阻加热器 —— 就像烤面包机和空间加热器中的金属线圈 —— 这限制了它的温度输出。

  在他的博士工作中，斯塔克和福斯伯格一起制作了导电耐火砖，取代了电阻加热器，这样砖就能直接产生热量。

  斯塔克解释说：“电热器是最大的限制因素：它们燃烧得太快，会坏掉，温度不够高。”“我们的想法是跳过加热器，因为耐火砖本身是非常便宜、丰富的材料，能够达到火焰般的温度，并在那里悬挂数天。”

  福斯伯格和斯塔克斯通过调整传统耐火砖的化学成分，制造出了导电耐火砖。电气化热能公司的砖与现有的耐火砖有98%的相似之处，并且使用相同的工艺生产，使现有的制造商能够以低廉的价格生产它们。

  在博士课程即将结束时，斯塔克意识到这项发明可以商业化。他开始在麻省理工学院斯隆管理学院上课，并花时间在麻省理工学院创业马丁信托中心。他还参加了StartMIT项目和I-Corps项目，并得到了美国能源部和麻省理工学院创业指导服务（VMS）的支持。

  斯塔克说：“通过波士顿的生态系统，麻省理工学院的生态系统，在能源部的帮助下，我们也可以从麻省理工学院的实验室推出这一个项目。”“我们研制出的是一种导电耐火砖，我们叫做电子砖。”

  电气化热能公司将耐火砖阵列封装在绝缘的现成金属盒中。尽管该系统能根据最终用途进行高度配置，但该公司的标准系统能收集和释放约5兆瓦的能量，并存储约25兆瓦时的能量。

  该公司已经展示了其系统产生高温的能力，并在马萨诸塞州梅德福的总部循环使用该系统。这项工作总共为电气化热能公司赢得了4000万美元的资金，这些资金来自能源部各办公室，用于扩大技术规模，并与制造商合作。

  斯塔克说：“与其他电加热相比，我们大家可以比市场上任何其他解决方案运行得更热，常规使用的寿命更长。”“这在某种程度上预示着在许多无法脱碳的工业场所取代化石燃料。”

  电气化热力公司正在与数百家工业公司合作，包括水泥、钢铁、玻璃、基础和特种化学品、食品和饮料、纸浆和纸张的制造商。

  斯塔克说：“工业供暖的挑战影响着阳光下的每个人。”“他们大多数都有同样的问题，那就是以一种负担得起的方式获得热量，并在能源转型中实现零碳排放。”

  该公司目前正在建造其系统的兆瓦级商业版本，预计将在未来7个月内投入使用。

  斯塔克表示：“明年将是该行业的一个重要证明。“我们将使用商业系统来展示客户要看到的各种操作点，我们大家都希望在今年年底之前在客户网站上运行系统。这将是一项巨大的成就，也是电加热的第一次，因为市场上无另外的解决方案能像我们这样降温。”

  通过与制造商合作生产耐火砖和外壳，电气化热力公司希望可以在一个庞大的行业中快速、低成本地部署其系统。

  斯塔克说：“从一开始，我们就设计了这些电子砖，以便在现有的供应链和制造流程中快速扩展和快速生产。”“如果你想让重工业脱碳，没有比把零碳电力资产转化为热能更便宜的方法了。我们正在寻求成为释放这些能力的首要技术，在我们完成能源转型的过程中，全球能源流量的百分比达到两位数。”