燃烧金属制造清洁能源

减少我们对化石燃料的依赖的必要性从未像现在这样迫切。我们的能源使用导致每年向大气中排放300多亿吨二氧化碳。随着能源行业脱碳成为如此重要的目标，世界各地的研究人员正在寻找新的方法，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。但是，还有许多其他的想法也可以为清洁能源经济做出贡献。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认为，这可能是一种为我们生活的某些方面提供动力的绿色方式。

脱碳能源

最重要的是，金属燃料是无碳的。当你燃烧纳米铁颗粒时，它会产生氧化铁。然后利用可再生电力将氧化物质还原为铁，理论上提供了一个无碳循环。

他说，有时我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，如果你以绿色可持续的方式来做，你就是在获取可再生能源，并用它来生产能源载体或燃料。”

伯格索森指出，当电解产生氢时，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)。对于金属燃料，同样的概念也适用——以铁为例，用户获取氧化铁，并在无副产物的循环中将其循环成铁，可以反复重复。

伯格索森补充说:“使用铝作为燃料和使用铝-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运输能量的方法。”

金属燃料易于储存和运输实际上是它们的主要优势之一。伯格索森指出:“铁可以用铁锹在卡车和船上移动，这是非常安全的。”“它非常稳定……与需要昂贵复杂设备并存在安全隐患的氢相比，它的移动成本非常低。”

Bergthorson认为，这种好处可以帮助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。我们一直在进行化石能源交易。这是我们经济的正常组成部分，是我们经济的很大一部分，但是交易清洁能源，我们该怎么做呢?他问道。他说，目前的焦点通常是氢气，但我们能把它运出去吗?我认为人们忽略了这样一个概念:当我们把铝运往世界各地时，我们也在运输能源，对吗?”

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，可以按体积打包大量的能量。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引起人们的想象力。

喝完

他说:“铁是地壳中最常见的元素之一，储量丰富，而且非常便宜，这正是你在能源载体中所需要的，你将在任何地方使用它。文森特·范德沙夫特来自荷兰埃因霍温理工大学由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——其中一个重要的是，铁的燃烧温度实际上非常接近气体火焰的温度。”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，一个包括Solid在内的财团见证了迄今为止规模最大的金属燃料演示，当时他们的金属动力系统被用于为当地一家啤酒厂提供动力。该项目包括在Swinkels Family Brewers拥有的设施中安装一个被称为MP100的铁燃烧器。

“燃烧装置是一个非常大的工业装置，大约15米长。而且大部分长度都由一个非常长的燃烧器管覆盖，”范德沙夫特说。他解释说，气流将铁粉带入燃烧器，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，而氧化铁则被过滤出来重新利用。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，无法完全为啤酒厂这样大的设施提供动力，但这个项目的重点是证明金属粉末可以用于这种环境。范德夏夫特说:“MP100的输出功率为100千瓦，相当于一辆汽车。”“这更像是一次演示，表明原则上你可以在酿造过程中使用这种技术。”

Solid也曾希望在今年推出世界上第一艘铁动力船，但得出的结论是，以他们目前的燃烧器来说，这根本行不通。今年Solid团队的负责人艾伦·梅杰林克(Ellen Meijerink)说:“MP100不够大，不能装进啤酒厂或轮船，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，梅杰林克说，Solid公司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相同的循环，但我们不再燃烧它，而是向它添加蒸汽。”“这又产生了氧化物，但你从中提取了氢——所以它实际上是在产生氢。”

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能源系统方面的专家。

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所需的能量，这与我们燃烧化石燃料时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，以帮助减轻当地能源产量减少的压力，例如在低风或高云量期间。他说:“当我们进一步降低电力系统的碳排放时，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地输送到很远的地方。但这类系统的成本将是巨大的，而且总会有一些地方无法获得清洁能源。他说，这就是为什么第二个或替代传输系统将非常有价值，因为我们已经有了可用的道路和基础设施。“如果我们可以利用现有的基础设施来运输一些能源，就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，贺建奎指出，尽管金属燃料有“独特的优势”，但它们被商业化使用的机会将取决于它们能吸引多少投资，以及有多少人参与到这项仍处于非常早期阶段的技术的开发中来。

基本的问题

由于他的团队正在推动金属燃料的发展，伯格索森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。金属的燃烧速度有多快?他解释说:“这个速度对于如何在发电厂稳定它们至关重要。”“燃烧产物是什么?”他们长什么样子?它是如何依赖于你燃烧它们的条件的?火焰的结构是什么?它们是如何工作的?”

伯格索森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开展了一个名为“波波”的项目，在亚轨道飞行中，金属颗粒在微重力条件下燃烧。

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。然后我们用氙作为惰性气体，它很重，热扩散率很低，可以减缓热传递，”伯格索森说。“当火焰通过这些铁颗粒传播时，它的行为类型与我们习惯的碳氢化合物燃料非常不同——物理性质完全不同。”我们才刚刚开始能够研究这一点，并试图了解它是如何影响那些对实际应用可能很有趣的火焰特性的。”

随着更多的研究，人们希望金属燃料的能源效率将会提高，而收集和再生燃料所涉及的损失可以降到最低。一些人可能仍然质疑金属燃料是否真的可以被视为能源问题的可持续答案——毕竟，金属仍然需要从地下挖出来。但伯格索森指出，任何替代能源系统都将涉及新的基础设施和材料成本。

在金属燃料储备增长的最初阶段，会有一些额外的开采需求。当然，我们的目标是无限期地回收它们。”“我们不像使用化石燃料那样一次性使用它们，而是循环使用1000次、1万次、100万次。”对于伯格索尔森来说，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”。“你只是在反复使用同一个熨斗，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，氢可以呈现出金属结构。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，它们也是金属燃料，”伯格索森重申。“所以金属燃料就在我们身边，是时候让我们看到它们之间的联系，并认识到它们可以在能源转型中发挥重要作用，这是非常紧迫的。”