Batu Bata Api Listrik: Dekarbonisasi Industri Berat Dengan Baterai Termal

Solusi Termal Berlistrik, an[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>MIT spinout, has developed an electrically conductive firebrick that stores heat at high enough temperatures to power industrial processes.

This system, which can tap into cheap, clean electricity during off-peak hours, is scalable and poised to decarbonize heavy industries by leveraging zero-carbon electricity sources.

Industrial Heat Generation

Manufacturing industries like cement, steel, chemicals, and paper production require enormous amounts of heat, which is typically generated by burning fossil fuels.

To reduce the industrial sector’s carbon footprint, some startups are rethinking how materials are made — or even redesigning the materials themselves. MIT Alumnus Daniel Stack SM ’17, PhD ’21, is tackling the root cause of emissions by focusing on the heat source itself.

Breakthrough with Electric Heat

Since joining MIT in 2014, Stack has worked on developing thermal batteries powered by electricity. These batteries heat specially engineered ceramic firebricks, materials traditionally used for insulation and heat storage. In 2021, he co-founded Electrified Thermal Solutions, which has proven that its electric firebricks can efficiently store heat for hours and release it by heating air or gas to temperatures as high as 3,272 degrees Fahrenheit — enough to drive even the most energy-intensive industrial processes.

Achieving temperatures north of 3,000 °F represents a breakthrough for the electric heating industry, as it enables some of the world’s hardest-to-decarbonize sectors to utilize renewable energy for the first time. It also unlocks a new, low-cost model for using electricity when it’s at its cheapest and cleanest.

Economic and Environmental Benefits of Electrified Heat

“We have a global perspective at Electrified Thermal, but in the U.S. over the last five years, we’ve seen an incredible opportunity emerge in energy prices that favors flexible offtake of electricity,” Stack says. “Throughout the middle of the country, especially in the wind belt, electricity prices in many places are negative for more than 20 percent of the year, and the trend toward decreasing electricity pricing during off-peak hours is a nationwide phenomenon. Technologies like our Joule Hive Thermal Battery will enable us to access this inexpensive, clean electricity and compete head to head with fossil fuels on price for industrial heating needs, without even factoring in the positive climate impact.”

Development and Evolution of Firebrick Technology

Stack’s research plans changed quickly when he joined MIT’s Department of Nuclear Science and Engineering as a master’s student in 2014.

“I went to MIT excited to work on the next generation of nuclear reactors, but what I focused on almost from day one was how to heat up bricks,” Stack says. “It wasn’t what I expected, but when I talked to my advisor, [Principal Research Scientist] Charles Forsberg, mengenai penyimpanan energi dan mengapa penyimpanan energi sangat berharga tidak hanya bagi tenaga nuklir tetapi juga seluruh transisi energi, saya menyadari tidak ada proyek yang lebih saya sukai.”

Batu bata tahan api adalah batu bata tanah liat murah yang ada di mana-mana dan telah digunakan selama ribuan tahun dalam perapian dan oven. Pada tahun 2017, Forsberg dan Stack ikut menulis makalah yang menunjukkan potensi batu bata tahan api untuk menyimpan panas dari sumber daya terbarukan, namun sistem tersebut masih menggunakan pemanas hambatan listrik — seperti kumparan logam pada pemanggang roti dan pemanas ruangan — yang membatasi keluaran suhunya.

Untuk pekerjaan doktoralnya, Stack bekerja dengan Forsberg membuat batu bata tahan api yang bersifat konduktif listrik, menggantikan pemanas resistansi sehingga batu bata tersebut menghasilkan panas secara langsung.

“Pemanas listrik adalah pembatas terbesar Anda: Pemanas listrik terlalu cepat terbakar, rusak, dan tidak cukup panas,” jelas Stack. “Idenya adalah tidak menggunakan pemanas karena batu bata tahan api itu sendiri adalah bahan yang sangat murah dan berlimpah yang dapat mencapai suhu seperti nyala api dan bertahan di sana selama berhari-hari.”

Forsberg dan Stacks mampu membuat batu bata api konduktif dengan mengubah komposisi kimia batu bata api tradisional. Batu bata Electrified Thermal 98 persen mirip dengan batu bata tahan api yang ada dan diproduksi menggunakan proses yang sama, sehingga memungkinkan produsen yang ada untuk membuatnya dengan biaya murah.

Komersialisasi dan Dampak

Menjelang akhir program PhD-nya, Stack menyadari bahwa penemuannya dapat dikomersialkan. Dia mulai mengambil kelas di MIT Sloan School of Management dan menghabiskan waktu di Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship. Ia juga mengikuti program StartMIT dan program I-Corps, serta mendapat dukungan dari Departemen Energi AS dan Venture Mentoring Service (VMS) MIT.

“Melalui ekosistem Boston, ekosistem MIT, dan dengan bantuan dari Departemen Energi, kami dapat meluncurkan ini dari laboratorium di MIT,” kata Stack. “Apa yang kami hasilkan adalah batu bata tahan api yang menghantarkan listrik, atau yang kami sebut sebagai e-Brick.”

Electrified Thermal berisi susunan batu bata tahan api dalam kotak logam terisolasi yang siap pakai. Meskipun sistem ini sangat dapat dikonfigurasi tergantung pada penggunaan akhir, sistem standar perusahaan dapat mengumpulkan dan melepaskan sekitar 5 megawatt energi dan menyimpan sekitar 25 megawatt-jam.

Perusahaan ini telah mendemonstrasikan kemampuan sistemnya untuk menghasilkan suhu tinggi dan telah menjalankan sistemnya di kantor pusatnya di Medford, Massachusetts. Pekerjaan tersebut secara kolektif telah menghasilkan Electrified Thermal sebesar $40 juta dari berbagai kantor Departemen Energi untuk meningkatkan teknologi dan bekerja sama dengan produsen.

“Dibandingkan dengan pemanas listrik lainnya, pemanas kami dapat bekerja lebih panas dan bertahan lebih lama dibandingkan solusi lain yang ada di pasaran,” kata Stack. “Itu berarti mengganti bahan bakar fosil di banyak lokasi industri yang tidak dapat melakukan dekarbonisasi.”

Arah Masa Depan dan Implikasi Global

Electrified Thermal bekerja sama dengan ratusan perusahaan industri, termasuk produsen semen, baja, kaca, bahan kimia dasar dan khusus, makanan dan minuman, serta pulp dan kertas.

“Tantangan pemanasan industri mempengaruhi semua orang,” kata Stack. “Mereka semua pada dasarnya mempunyai masalah yang sama, yaitu mendapatkan panas dengan cara yang terjangkau dan nol karbon untuk transisi energi.”

Perusahaan saat ini sedang membangun versi komersial berskala megawatt dari sistemnya, yang diharapkan dapat beroperasi dalam tujuh bulan ke depan.

“Tahun depan akan menjadi bukti besar bagi industri ini,” kata Stack. “Kami akan menggunakan sistem komersial untuk menampilkan berbagai titik operasi yang perlu dilihat pelanggan, dan kami berharap dapat menjalankan sistem di lokasi pelanggan pada akhir tahun ini. Ini akan menjadi pencapaian besar dan yang pertama bagi pemanas listrik karena tidak ada solusi lain di pasar yang dapat memadamkan suhu seperti yang dapat kita hilangkan.”

Dengan bekerja sama dengan produsen untuk memproduksi batu bata tahan api dan selubungnya, Electrified Thermal berharap dapat menerapkan sistemnya dengan cepat dan berbiaya rendah di seluruh industri besar.

“Sejak awal, kami merekayasa batu bata elektronik ini agar dapat ditingkatkan skalanya dan diproduksi dengan cepat dalam rantai pasokan dan proses manufaktur yang ada,” kata Stack. “Jika Anda ingin mendekarbonisasi industri berat, tidak ada cara yang lebih murah selain mengubah listrik menjadi panas dari aset listrik nol karbon. Kami berupaya menjadi teknologi utama yang membuka kemampuan tersebut, dengan persentase dua digit energi global mengalir melalui sistem kami seiring kami mencapai transisi energi.”