耐火砖专为耐高温而设计，至少三千年来一直是人类技术工具的一部分，早在赫梯人时代便已出现。如今，麻省理工学院研究人员提出的一项方案表明，这项古老发明或能在帮助世界摆脱化石燃料、转而依靠无碳能源的过程中发挥关键作用。
研究人员的设想是，在需求较低时利用多余电力——例如夜间强风吹拂时风电场产生的电力——通过将电能转化为热能的电阻加热器加以利用。这些设备将用多余电力加热大量耐火砖；如果将砖体封装在隔热外壳中，便可长时间留住热量。之后，这些热量既可直接用于工业流程，也可用来驱动发电机，在需要电力时将热能转回电能。
这项技术本身并不新鲜，但其潜在用途却是近来才出现的现象，这得益于间歇性可再生能源的迅速增长，以及电价制定方式的特殊性。从技术角度看，这套系统“在20世纪20年代就可以开发出来，但当时没有市场”，麻省理工学院核科学与工程系研究科学家、介绍这一方案的研究论文第一作者查尔斯·福斯伯格说。该论文于本周刊登在《电力期刊》。
福斯伯格指出，美国和大多数工业化地区对工业热能的需求，实际上超过了对电力的总需求。电力需求变化很大且往往难以预测，而工业热能需求则稳定不变，只要有额外热源就能加以利用，因此这种以耐火砖为基础的系统所提供的热能几乎拥有无限的市场。
福斯伯格将这套系统称为 FIRES（耐火砖电阻加热储能系统，FIrebrick Resistance-heated Energy Storage）。它实际上可以抬高电力市场的最低电价；目前，在发电量高的时候，电价可能骤降至接近零，例如晴朗日间太阳能电站发电量达到峰值时。
电价提前一天确定，每天的每个一小时区间都有单独的价格。这一过程通过发电商与电力分销商之间的拍卖机制进行。分销商估算每小时的用电需求，供应商则根据预期发电成本报价。根据当时的需求，价格可能较低，例如只需调用天然气基荷电厂时；如果需求要求使用成本高得多的“调峰”电厂，价格也可能高得多。每轮拍卖结束时，分销商会确定需要接受多少份报价才能满足预测需求，而该小时所有供应商获得的电价，则由已接受报价中的最高价决定。
但当生产成本极低的电力——太阳能、风能和核能，其实际运行成本微乎其微——足以满足需求时，这套机制可能导致反常结果。此时，供应商获得的电价可能接近零，使电厂无利可图。
但如果将大量多余电力用于加热大量耐火砖，以此进行热能储存，再直接出售热能，或利用热能驱动涡轮机，在需要时发电，FIRES 实际上就能为电力市场价格设定一个下限，这一下限可能约等于天然气价格。反过来，这有助于提高太阳能、风能和核能等无碳能源的盈利能力，从而推动其进一步发展。
随着非化石能源扩张，电价下跌的现象已经出现，而且随着可再生能源设施增加，这种情况还会愈发明显。福斯伯格说：“在爱荷华州、加利福尼亚州和德国等地的电力市场，风能或太阳能发电量高时，电价会跌至接近零。”一旦太阳能在总发电结构中的装机容量占比达到约15%，或风能占比达到30%，如果没有足够的储能容量吸纳多余电力以供日后使用，建设这类设施就可能变得无利可图。
目前，储存多余电力的方式基本只有电池或抽水蓄能系统。福斯伯格说，相比之下，这种技术含量较低的耐火砖热储能系统，成本仅为上述任一方案的十分之一至四十分之一。
耐火砖只是普通砖的一种变体，由能够承受高得多温度的黏土制成，耐温可达1600摄氏度或更高。这种耐高温砖的生产成本几乎低得像泥土一样——毕竟黏土本来就是一种特殊的土——考古遗址中发现了约3500年前的此类砖，例如赫梯人在如今的土耳其建造的炼铁窑。时至今日这些砖仍保存完好，足以证明其耐久性。
如今，通过改变黏土的化学成分，可以制成具有各种特性的耐火砖。例如，结构中心的砖块可以具有较高的导热率，以便轻松吸收电阻加热器的热量。这些砖块也能轻易将热量传给吹过砖体的大量冷空气，再由冷空气带走热量供工业使用。而结构外层的砖块则可以具有很低的导热率，从而形成隔热外壳，帮助中心砖堆留住热量。
FIRES 目前的限制因素是电阻加热器。现有的低成本可靠加热器最高只能达到约850摄氏度。福斯伯格提出，最终可以让砖块本身具有导电性，使其能够自行充当低成本电阻加热器，同时产生并储存热量。一种适合制造这类耐火砖的材料是碳化硅，这种材料已经大规模生产，用于制造砂纸等产品。福斯伯格说，中国目前每年生产约100万吨碳化硅。
他说，将热能转回电能面临更大的技术挑战，因此这很可能会成为 FIRES 系统的下一代版本。这是因为，利用天然气电厂所用的传统涡轮机发电，需要高得多的温度。他说，工业流程供热在约800摄氏度时即可行，而涡轮机则需要将压缩空气加热至至少1600摄氏度。普通电阻加热器无法达到这么高的温度，这类系统还需要一个封闭压力容器来承受所需的气压。但其优势十分可观：福斯伯格说，运行温度翻倍，产生热能的成本就能减半。
福斯伯格说，下一步将建造一些全规模原型设备，在真实环境中验证这一原理；他预计这将在2020年前后实现。“我们正在为这些首批设备寻找合适的客户，”他说，客户可能是一家使用大量热能的乙醇精炼厂，并且靠近大型风力涡轮机设施。
西屋电气公司现已退休的前首席技术官雷吉斯·马齐并未参与这项研究。他说：“我认为 FIRES 是解决电网实际问题的一种创新方法。”他指出，该国的电价制定方式造成了“扭曲的电力市场：当电网中相当大一部分电能由可再生能源提供时，市场价格会很低，甚至为负值”。他说：“纠正这一趋势的一个非常有效的方法，是以经济的方式储存电价较低时产生的能源，例如可再生能源发电量很大时产生的电力，然后在市场价格高时释放储存的能源……FIRES 可能提供了一种经济可行的解决方案，但可能需要通过示范项目来验证其可操作性和经济性。”
研究团队成员包括麻省理工学院研究生丹尼尔·斯塔克、丹尼尔·柯蒂斯、杰弗里·哈拉蒂克，以及近期毕业生内斯托尔·塞普尔韦达（硕士，2014届）。
