根據史丹佛大學的一項新研究，在全球範圍內過渡到100% 使用可再生能源將更加便宜和簡單，而使用砌磚這種起源於青銅時代的熱能儲存形式，可以生產工業生產所需的大部分熱量。

當今的工業生產需要高溫，而高溫主要是透過持續燃燒煤炭、石油、化石天然氣或生物質來實現的。世界上大部分國家都在關注如何透過從化石燃料向風能、太陽能和水能等再生能源過渡來減少排放，問題是如何在一個100% 可再生能源的世界中​​為工業提供按需持續供熱。

在最近發表的一項研究中，史丹佛大學土木與環境工程系的研究人員提出，一個古老的解決方案–耐火磚–可能是答案。

這項研究的共同作者、土木與環境工程博士後丹尼爾-桑博（Daniel Sambor）說：”透過以最接近最終用途的形式儲存能源，可以減少能源轉換中的低效率。在我們的領域，人們常說’如果你想洗熱水澡，就儲存熱水，如果你想喝冷飲，就儲存冰塊’；因此，這項研究可以概括為’如果你需要工業用熱，就把它儲存在耐火磚裡’。

隨著風能和太陽能的波動，取代燃燒燃料的能源必須能夠發電或儲熱。耐火磚可以承受高溫而不會損壞，幾千年來，可能從青銅時代早期開始，耐火磚就被用來砌築熔爐、窯爐、壁爐和烤箱。

與耐火磚類似，耐火磚也可以儲熱或隔熱，取決於其材質。用於儲熱的耐火磚應具有較高的比熱（即1 克物質吸收或散失的熱量使其溫度變化1 °C（1.8 °F））和較高的熔點。具有這些特性的理想低成本耐火磚材料包括氧化鋁和氧化鎂或低級石墨。隔熱耐火磚必須能承受高溫，但導熱率要低，以抵禦熱流並緩慢地從周圍環境中獲取熱量。二氧化矽的導熱率較低，因此常用於這類耐火磚。

耐火磚用於隔絕迴轉窯內部鋼殼產生的高溫維基共享資源/Alexknight12 CC BY-SA 3.0

蓄熱耐火磚的周圍是另一種隔熱性能更強的耐火磚，然後是鋼材，如厚鋼容器，以進一步減少熱量損失。製程熱量可根據需要從耐火磚中提取，方法是將環境空氣或循環空氣通過耐火磚中的通道，產生低溫至高溫的空氣，或直接從燒紅的耐火磚中發射紅外線輻射獲取熱量。使用耐火磚可避免電池儲存或綠色氫氣儲存再生能源電力，因為耐火磚儲存取代了電力儲存。

本研究旨在檢視使用耐火磚儲存大部分工業加工熱量對149 個國家的影響，這些國家在2050 年的假設未來已過渡到100% 使用清潔和再生能源。所選的149 個國家排放了全球99.75% 的化石燃料二氧化碳(CO2)。研究人員使用電腦模型比較了兩種情況下的成本、土地需求、健康影響和排放情況：一種情況是由耐火磚提供90% 的工業用熱，另一種情況是不使用耐火磚。

史丹佛大學多爾永續發展學院土木與環境工程系教授、該研究的第一作者兼通訊作者馬克-雅各布森說：”我們的研究是第一項以耐火磚作為解決方案的一部分，對再生能源的大規模過渡進行研究的研究。

在149 個國家中，與不使用耐火磚的情況相比，使用耐火磚可在2050 年將資本成本大幅降低1.27 兆美元。此外，耐火磚還可使電池儲能需求減少約14.5%，電網每年的氫氣產量減少約27.3%，土地需求減少約0.4%，每年的整體能源成本減少約1.8%。在”無耐火磚”情境下，假設各國將從電爐、加熱器、鍋爐和熱泵中獲取工業流程所需的熱量，並使用電池為這些技術儲能。

雅各森說：「耐火磚儲能與電池儲能的區別在於，耐火磚儲存的是熱量而不是電能，成本只有電池的十分之一。材料也簡單得多。它們基本上只是泥土的組成部分。

這項研究提出了一個重要問題：工業燃燒產生的氣體和顆粒以及工業加工化學反應（主要是鋼鐵和水泥生產）產生的二氧化碳排放，是耐火磚無法解決的，那麼這些問題又該如何解決呢？研究人員提出，電弧爐、電阻爐和鍋爐、感應爐、電子束加熱器和電介質加熱器可以覆蓋耐火磚未覆蓋的工業燃燒。使用綠色氫氣取代焦炭或煤炭將鐵礦石還原成純鐵，可以解決鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放問題。他們還提出，在生產普通波特蘭水泥（OPC）時，可以使用玄武岩（不含碳的矽酸鈣岩）代替石灰石，並使用土工聚合物水泥代替OPC，從而消除水泥生產中的二氧化碳排放。研究人員說，將這些技術與耐火磚結合，就有可能”消除工業生產中的大部分（如果不是全部的話）空氣污染和二氧化碳，而無需進行碳捕集”。

高溫蓄熱耐火磚在市面上可以買到。研究人員說，利用它們來幫助向再生能源過渡，將使這一過程既便宜又簡單，他們希望這兩點能吸引人們支持他們的新穎解決方案。

雅各森說：「試想一下，如果我們提出一種昂貴而困難的過渡到可再生電力的方法–我們將很少有人接受。但是，如果這種方法比以前的方法更省錢，那麼實施起來就會更快。降低空氣污染死亡率到使世界更容易過渡到清潔的可再生能源，都能以低成本帶來巨大的好處。

這項研究發表在《PNAS Nexus》雜誌。