（来源：MIT News）

无论是制造水泥、钢铁、化学品还是纸张，这些生产过程都需要大量热能，而几乎无一例外，全球的制造商都是通过燃烧化石燃料来获取热能。

为了推动工业领域的清洁化，一些初创公司正在尝试改变特定材料的生产工艺，甚至直接改造材料本身。Daniel Stack（MIT 2017 年硕士毕业、2021 年博士毕业）则选择从源头入手，通过替代热源来全面应对工业排放问题。

自 2014 年进入 MIT 以来，Stack 便致力于研发热能电池。这种电池利用电能加热导电版陶瓷耐火砖——一种已经被用作热储存和绝缘的传统材料。

2021 年，Stack 共同创立了 Electrified Thermal Solutions 公司，该公司随后成功验证了其耐火砖可以高效储存热能数小时，并通过加热空气或气体将热量释放，温度高达 3272 华氏度（约 1800 摄氏度），足以满足最严苛的工业应用需求。

突破 3000 华氏度的高温标志着电加热行业的一大进展，这让一些全球最难减碳的领域首次能够利用可再生能源。同时，这种技术还带来了全新的低成本模式，可在电价最低、能源最清洁的时段充分利用电力。

“我们在 Electrified Thermal Solutions 公司放眼全球，但在过去五年里，我们注意到美国国内出现了一个非常有吸引力的机会。”Stack 说道，“灵活用电模式的兴起得益于能源价格的变化趋势，尤其是在美国中部地区的风能带（Wind Belt）。在那里，每年超过 20% 的时间电价为负值，而全国范围内非高峰时段电价逐渐下降的趋势也愈加明显。我们的 Joule Hive 热能电池技术可以充分利用这种廉价且清洁的电力资源，不仅能够满足工业供热需求，还可以在价格上直接与化石燃料竞争，即使不考虑技术对气候的积极影响，这也是一个极具经济价值的解决方案。”

为传统技术注入新思路：导电耐火砖的诞生

2014 年，当 Daniel Stack 以硕士生身份加入 MIT 核科学与工程系时，他的研究方向很快发生了变化。

“我来到 MIT 时满怀期待，希望能研究新一代核反应堆，但几乎从第一天开始，我的关注点就变成了如何加热砖块。”Stack 回忆道，“这与我的初衷完全不同，但当我与我的导师 Charles Forsberg（MIT 首席研究科学家）讨论能源存储的重要性以及它对核能和整个能源转型的价值时，我意识到没有比这更让我感兴趣的项目了。”

耐火砖是一种用途广泛、价格低廉的粘土砖，几千年来一直用于壁炉和烤炉中。2017 年，Forsberg 和 Stack 共同发表了一篇论文，展示了耐火砖在存储可再生能源热量方面的潜力。然而，当时的系统仍使用电阻加热器（类似于烤面包机和取暖器中的金属线圈），这一限制使温度输出受到了很大限制。

在博士研究期间，Stack 与 Forsberg 合作，研发出导电耐火砖，取代了传统的电阻加热器，使砖块能够直接产生热量。

“电加热器是最大的瓶颈，它们寿命短、易损坏，且无法达到足够高的温度。”Stack 解释道，“我们的想法是跳过加热器，直接利用耐火砖这种便宜且充足的材料。它们可以承受火焰的高温，并持续数天。”

通过调整传统耐火砖的化学成分，Forsberg 和 Stack 成功制造出了导电耐火砖。Electrified Thermal Solutions 公司生产的砖块有 98% 的成分与现有耐火砖相同，并采用相同的制造工艺，从而可以通过现有生产设施降低制造成本。

在即将获得博士学位时，Stack 意识到他的发明有很大的商业化潜力。为了推动这一想法，他开始在 MIT 斯隆管理学院学习相关课程，并积极参与创业活动。他花时间在 MIT 创业中心开展项目，同时参加了 StartMIT 和 I-Corps 创业加速计划。此外，他还获得了美国能源部的支持，以及 MIT 风险指导服务（VMS）的帮助。

“通过波士顿的创新生态系统、MIT 的支持以及能源部的帮助，我们得以将这一技术从实验室推向市场。”Stack 说道，“我们的成果是导电耐火砖，我们称之为 e-Brick。”

Electrified Thermal Solutions 公司将其耐火砖组装在隔热的金属盒中，这些金属盒是现成的商品。虽然系统可以根据具体需求进行高度定制，但公司的标准系统可以吸收和释放约 5 兆瓦的能量，并存储约 25 兆瓦时的热量。

目前，公司已经在位于马萨诸塞州梅德福的总部展示了该系统生产高温的能力，并对其进行了多次循环测试。通过这些努力，Electrified Thermal Solutions 公司已从能源部多个部门获得了 4000 万美元的资金支持，用于扩大技术规模并与制造商合作。

“与其他电加热技术相比，我们的系统可以实现更高的温度和更长的寿命。”Stack 表示，“这意味着许多原本无法减碳的工业场所，现在可以用我们的技术替代化石燃料。”

为全球问题提供规模化解决方案

Electrified Thermal Solutions 公司正与数百家工业企业接洽，这些企业涵盖水泥、钢铁、玻璃、基础化学品和特种化学品、食品饮料以及纸浆和纸张制造等领域。

“工业供热问题影响着地球上的每一个人。”Stack 表示，“它们本质上都面临同样的挑战：如何在能源转型中以经济实惠且零碳的方式获取热能。”

目前，该公司正在建设一个兆瓦级商业化系统，预计将在未来七个月内投入运行。

“明年将是向行业证明这一技术的重要时刻。”Stack 说道，“我们将利用这一商业化系统展示客户所需的各种运行模式，并希望在年底前能在客户现场部署这些系统。这将是电加热领域的一个巨大成就，也是一个里程碑，因为市场上没有其他解决方案能达到我们这样的高温输出。”

通过与制造商合作生产耐火砖和外壳，Electrified Thermal Solutions 希望以低成本快速将其系统部署到大规模工业领域。

“从一开始，我们就将这些 e-Brick 设计为可以快速扩展，并能在现有供应链和制造工艺中快速生产。”Stack 解释道，“如果想让重工业实现减碳，没有比利用零碳电力转化为热能更便宜的方式了。我们致力于成为解锁这一能力的核心技术，使全球能源转型过程中有两位数比例的能源流通过我们的系统。”

原文链接：

https://news.mit.edu/2024/electrified-thermal-decarbonizes-heavy-industry-with-thermal-batteries-1126