燃烧金属制造清洁能源

减少我们对化石燃料的依赖从未像现在这样迫切。我们的能源使用每年向大气排放超过300亿吨的二氧化碳。能源部门的脱碳是一个如此重要的目标，世界各地的研究人员都在寻找新的方法，在不破坏地球的情况下为我们的生活提供动力。

氢、燃料电池和电池可能是当今最发达和最知名的替代能源载体。但还有许多其他的想法也可以为更清洁的能源经济做出贡献。一个开始引起研究界更多兴趣的概念是使用金属作为燃料的可能性。

燃烧金属粉末乍一看似乎不太可能解决我们的环境问题。但寻找替代能源载体的科学家们认为，这可能是一种绿色的方式，可以为我们生活的某些方面提供动力。

脱碳能源

最重要的是，金属燃料是无碳的。当你燃烧铁纳米粒子时，它会产生氧化铁。然后使用可再生电力将被氧化的材料还原为铁，理论上提供了一个无碳循环。

他说:“我有时认为金属燃料就是固态氢。杰夫Bergthorson他是加拿大蒙特利尔麦吉尔大学替代燃料实验室的负责人。“在这两种情况下，如果你以一种绿色可持续的方式来做，你就是在利用可再生能源，并用它来生产能源载体或燃料。”

Bergthorson指出，当电解生产氢时，它的燃烧产物——水——被还原为我们可以燃烧的燃料(在这个过程中再生水)。同样的概念也适用于金属燃料——以铁为例，用户将氧化铁回收为铁，在一个无副产品的循环中，这个循环可以一遍又一遍地重复。

Bergthorson补充说:“使用铝作为燃料和铝空气电池之间有直接的相似之处，就像氢内燃机和氢燃料电池之间的区别一样。”“实际上，在所有这些情况下，我们只是在讨论一种以化学形式储存和传输能量的方法。”

金属燃料易于储存和运输实际上是它们的主要优点之一。伯格森指出，铁可以用铁铲移动——在卡车和轮船上，这非常安全。“它非常稳定……与氢气等需要昂贵和复杂设备并存在安全隐患的物质相比，它的移动成本非常低。”

伯格森认为，这一好处有助于金属燃料作为清洁能源商品在国际能源贸易中发挥重要作用。我们一直在交易化石能源。这是我们经济的正常组成部分，占我们经济的很大一部分，但是交易清洁能源，我们要怎么做呢?他问。“目前的焦点通常是氢，但我们能把它运出去吗?”我认为人们忽略了一个观点，即当我们向世界各地运送铝时，我们也在运送能源，对吧?”

其他关键的好处包括丰富的金属，如铁和铝，以及它们的高能量密度，与大多数其他能量载体相比，体积上可以容纳大量的能量。科学家们已经意识到这些有用的特性几十年了，但直到最近几年，使用金属作为燃料才真正开始激发人们的想象力。

喝完

他说:“铁是地壳中最常见的元素之一，储量丰富，而且价格便宜，这正是我们在任何地方都需要的能量载体。文森特·范德·沙夫特来自荷兰埃因霍温理工大学学生领导的金属燃料研究小组Solid。“还有其他一些很好的特性——一个重要的特性是，铁实际上在非常接近气体火焰的温度下燃烧。””He explains that this helps to avoid some difficult engineering challenges when retrofitting old installations or industrial processes to run on a new fuel.

去年，包括Solid在内的一个财团监督了迄今为止最大的金属燃料示范，当时他们的金属动力系统被用来为当地一家啤酒厂供电。该项目涉及在Swinkels Family Brewers拥有的工厂安装一个名为MP100的铁燃烧器。

“燃烧装置是一个非常大的工业装置，大约有15米长。大部分长度都被一个非常长的燃烧器管覆盖，”范德沙夫特说。他解释说，气流携带铁粉进入燃烧器，在那里燃烧。放热反应产生大量的能量，这些能量被用来加热水并产生蒸汽，而氧化铁被过滤出来重新使用。然后，蒸汽被送入啤酒厂，为捣碎过程提供动力。

目前的燃烧器还不够大，无法为啤酒厂这样的设施提供足够的动力，但这个项目的重点是证明金属粉末可以在这种环境中使用。范德沙夫特说:“那里安装的MP100输出功率为100千瓦，相当于一辆汽车。”“这更像是一个示范，表明原则上你可以在酿造过程中使用这种技术。”

Solid公司也曾希望在今年推出世界上第一艘铁动力船，但他们认为目前的燃烧器根本不可行。今年Solid团队的负责人埃伦•梅杰林克(Ellen Meijerink)说:“MP100对于啤酒厂或一艘船来说还不够大，所以这个项目的下一步是扩大规模。”“我们现在正在安装一个新的装置，将是200千瓦。”She explains that Solid and their collaborators have also already started developing plans for another even larger installation.

与此同时，梅杰林克表示，Solid也在寻找从金属粉末中产生清洁能源的其他方法。她说:“所以我们从铁粉开始进行同样的循环，但我们不再燃烧它，而是在其中加入蒸汽。”“这又产生了一种氧化物，但你从中提取了氢——所以它实际上是在制造氢。”

独特的优势

“理想情况下，我们需要(能源载体)具有高能量密度、高能效、低(环境)足迹和尽可能低的成本，但事实是我们没有这样的技术，”他说魏他他是英国华威大学的能源系统专家。

他指出，电池技术目前最适合满足许多市场需求，特别是在往返效率方面优于金属燃料——往返效率是一种衡量从能量载体中回收的电能相对于最初储存在其中的电能的比例的指标。而锂离子电池可以达到高达95%的往返效率在美国，金属燃料的比例限制在40%左右。这是因为金属燃料中储存的能量只有大约一半可以在燃烧时转化为按需发电，这与我们燃烧化石燃料时所利用的能量水平相似。

然而，考虑到金属燃料的高能量密度——大约是锂电池的10倍——和长期稳定性，他认为金属燃料在某些情况下可以发挥补充作用。他指出，随着风能和太阳能等可再生能源为我们提供更多的电力，我们对能源基础设施的要求将发生变化。金属燃料可以提供一种在多个地点储存清洁能源的方法，以便在当地能源产出较少时——例如在低风或高云层覆盖期间——帮助缓解压力。他说:“当我们进一步使电力系统脱碳时，对这种储能技术的需求肯定会比现在更高。”

他解释说，在一个理想的世界里，强大的电力传输系统可以将电力从可再生能源生产的地方长距离输送。但这种系统的成本将是巨大的，而且总会有一些地方获得清洁能源的机会较少。他说:“这就是为什么第二种或替代传输系统将非常有价值，因为我们已经有了道路和基础设施。”“如果我们可以利用现有的基础设施运输一些能源，它可以补充我们的电力传输系统。这可能是一个成本非常低的解决方案。”

然而，他指出，尽管金属燃料具有“独特的优势”，但它们被商业化使用的机会将取决于它们吸引了多少投资，以及有多少人参与开发这项仍处于非常早期阶段的技术。

基本的问题

Bergthorson的团队领导着金属燃料的发展，他对探索金属颗粒燃烧的基本原理特别感兴趣。“就研究问题而言，我们有很多。燃烧金属的速度有多快?他解释说:“就如何在发电厂稳定它们而言，这种速度至关重要。”“燃烧产物是什么?”他们长什么样子?它如何取决于你燃烧它们的条件?火焰的结构是什么?它们是如何工作的?”

Bergthorson的团队与埃因霍温的同事、空中客车公司和欧洲航天局合作进行了一个名为perwaves的项目，该项目是在亚轨道飞行的微重力条件下燃烧金属颗粒。

我们的目标是无限期地回收它们

“你可以制造一种铁颗粒悬浮液，使其在氧化气体中静止不动。“然后我们使用氙作为惰性气体，它很重，热扩散率很低，可以减缓热量传递，”伯格索尔森说。“当火焰在这些铁颗粒中传播时，它的行为与我们习惯的碳氢化合物燃料非常不同——物理原理完全不同。”我们刚刚开始能够对此进行研究，并试图了解它是如何影响那些在实际应用中可能很有趣的火焰特性的。”

随着更多的研究，希望金属燃料的能源效率将会提高，并且收集和再生燃料的损失可以最小化。有些人可能仍然质疑金属燃料是否真的可以被认为是能源问题的可持续解决方案——毕竟，金属仍然需要从地下挖出来。但伯格森指出，任何替代能源系统都将涉及新的基础设施和材料成本。

在增加金属燃料储量的最初阶段，将需要进行一些额外的开采。伯格森说:“当然，我们的目标是无限期地回收利用它们。”“我们不像使用化石燃料那样只使用一次，而是循环使用1000次、1万次、100万次。对伯格森来说，这是这个概念的关键他认为代表了“迄今为止最有前途的零碳能源载体”。“你只是反复使用同一块电熨斗，在一个地方充电，在另一个地方放电。”

虽然金属燃料似乎是一个遥远的想法，但它们已经比你想象的要普遍得多。氢被认为是绿色能源转型的最大希望之一，它本身也可以被认为是一种碱性金属研究表明在非常高的压力下，氢可以呈现金属结构。所以氢是一种金属燃料。所有不涉及碳的可持续选择，都是金属燃料。我们的电池是锂离子电池、镍氢电池、铝空气电池，还有金属燃料电池。”伯格森重申道。“所以金属燃料就在我们身边，是时候我们看到这些联系，并认识到它们可以在能源转型中发挥重要作用，这是如此紧迫。”