سوزاندن فلز برای تولید انرژی پاک

(سوزاندن فلز برای تولید انرژی پاک) فناوری بعید به نظر می رسد که سبزتر از آن چیزی است که فکر می کنید

نیاز به کاهش اتکای ما به سوخت های فسیلی هرگز به این فوریت نبوده است. مصرف انرژی ما مسئول انتشار بیش از 30 میلیارد تن دی اکسید کربن در جو در هر سال است. از آنجایی که کربن زدایی بخش انرژی به چنین هدف مهمی تبدیل شده است، محققان در سراسر جهان به دنبال راه های جدیدی برای تامین انرژی زندگی ما بدون تخریب سیاره هستند.

هیدروژن، سلول های سوختی و باتری ها شاید توسعه یافته ترین و شناخته شده ترین حامل های انرژی جایگزین امروزی باشند. اما بسیاری از ایده های دیگر نیز وجود دارند که می توانند به اقتصاد انرژی پاک کمک کنند. یکی از مفاهیمی که شروع به جلب توجه بیشتر جامعه تحقیقاتی کرده است، امکان استفاده از فلزات به عنوان سوخت است.

پودر آهن را می توان با هوا برای تولید گرما سوزاند

سوزاندن پودرهای فلزی ممکن است در ابتدا راه حلی بعید برای مشکلات زیست محیطی ما به نظر برسد. اما دانشمندانی که به دنبال حامل های انرژی جایگزین هستند معتقدند که این می تواند راهی سبز برای تقویت برخی از جنبه های زندگی ما باشد.

کربن زدایی انرژی

مهمتر از همه، سوخت های فلزی بدون کربن هستند. وقتی یک نانوذره آهن را می سوزانید، اکسید آهن تولید می کند. سپس می‌توان مواد اکسید شده را با استفاده از برق تجدیدپذیر به آهن تبدیل کرد و در تئوری یک چرخه بدون کربن ایجاد کرد.

داستان های مرتبط

جف برگتورسون ، که سرپرست آزمایشگاه سوخت جایگزین در دانشگاه مک گیل در مونترال، کانادا است، می‌گوید: «من گاهی سوخت‌های فلزی را فقط هیدروژن جامد می‌دانم . “در هر دو مورد – اگر این کار را به روشی پایدار سبز انجام می دهید – انرژی تجدید پذیر را مصرف می کنید و از آن برای تولید حامل انرژی یا سوخت استفاده می کنید.”

برگتورسون اشاره می‌کند که وقتی هیدروژن توسط الکترولیز تولید می‌شود، محصول احتراق آن – آب – کاهش می‌یابد تا سوختی فراهم شود که سپس می‌توانیم آن را بسوزانیم (بازسازی آب در این فرآیند). در مورد سوخت‌های فلزی نیز همین مفهوم صدق می‌کند – در مورد آهن، کاربران اکسید آهن را می‌گیرند و آن را در چرخه‌ای بدون محصول جانبی به آهن بازیافت می‌کنند که می‌تواند بارها و بارها تکرار شود.

برگتورسون می‌گوید که بور، منیزیم، آلومینیوم، سیلیکون، تیتانیوم، آهن و روی می‌توانند به عنوان سوختی برای تولید اکسیدهای فلزی سوزانده شوند. سپس می توان آن اکسیدها را جذب کرد و دوباره به سوخت فلز تبدیل کرد

برگتورسون می‌افزاید: «یک آنالوگ مستقیم بین استفاده از آلومینیوم به‌عنوان سوخت و باتری هوا-آلومینیوم وجود دارد – این مانند تفاوت بین یک موتور احتراق هیدروژنی و یک سلول سوختی هیدروژنی است». واقعاً در تمام این موارد، ما فقط در مورد روشی برای ذخیره و انتقال انرژی به شکل شیمیایی صحبت می کنیم.

سهولت ذخیره سازی و حمل و نقل سوخت های فلزی در واقع یکی از مزیت های اصلی آنهاست. برگتورسون خاطرنشان می کند: «آهن را می توان با بیل جابه جا کرد – در کامیون ها و کشتی ها، بسیار ایمن است». “بسیار پایدار است… و در مقایسه با چیزهایی مانند هیدروژن که به تجهیزات گران قیمت و پیچیده ای نیاز دارند و خطرات ایمنی مرتبط با آنها دارند، جابجایی بسیار ارزان است.”

برگتورسون پیشنهاد می‌کند که این مزیت می‌تواند به سوخت‌های فلزی کمک کند تا نقش مهمی را به عنوان کالاهای انرژی پاک برای تجارت بین‌المللی انرژی ایفا کنند.

 ما همیشه انرژی های فسیلی را مبادله می کنیم. این یک بخش عادی از اقتصاد ما است – بخش بزرگی از اقتصاد ما – اما تجارت انرژی پاک، چگونه می‌خواهیم این کار را انجام دهیم؟ او می پرسد. تمرکز در حال حاضر معمولاً هیدروژن است، اما آیا می‌توانیم آن را ارسال کنیم؟ … فکر می کنم مردم این ایده را از دست می دهند که وقتی آلومینیوم را به سرتاسر جهان می فرستیم، انرژی را حمل می کنیم، درست است؟

سایر مزایای کلیدی عبارتند از فراوانی فلزاتی مانند آهن و آلومینیوم و چگالی انرژی بالای آنها، که حجم زیادی از انرژی را در مقایسه با اکثر حامل های انرژی دیگر ذخیره می کنند. 

دانشمندان ده ها سال است که از این خواص مفید آگاه بوده اند، اما تنها در چند سال گذشته است که استفاده از فلز به عنوان سوخت واقعاً تخیل را به خود جلب کرده است.

بنوش

وینسنت ون در شافت از می گوید: «آهن یکی از رایج ترین عناصر در پوسته زمین است – مقدار زیادی از آن وجود دارد و واقعاً ارزان است، که واقعاً همان چیزی است که در یک حامل انرژی که قرار است در همه جا از آن استفاده کنید، نیاز دارید» . گروه تحقیقاتی سوخت فلزی جامد به رهبری دانشجویان، مستقر در دانشگاه فناوری آیندهوون در هلند.

 “و چند ویژگی خوب دیگر وجود دارد – یکی از مهمترین آنها این است که آهن در دمایی می سوزد که بسیار نزدیک به دمای شعله گاز است.” او توضیح می‌دهد که این امر به جلوگیری از برخی چالش‌های مهندسی دشوار هنگام مقاوم‌سازی تاسیسات قدیمی یا فرآیندهای صنعتی برای کار با سوخت جدید کمک می‌کند.

سال گذشته کنسرسیومی متشکل از Solid بر بزرگترین نمایش سوخت های فلزی تا به امروز نظارت کرد، زمانی که از سیستم فلزی آنها برای کمک به تامین انرژی یک کارخانه آبجوسازی محلی استفاده شد. این پروژه شامل نصب یک مشعل آهنی معروف به MP100 در تاسیسات متعلق به Swinkels Family Brewers بود.

“نصب احتراق یک تاسیسات صنعتی واقعا بزرگ به طول حدود 15 متر است. 

وان در شافت می گوید و بیشتر طول آن توسط یک لوله مشعل بسیار طولانی پوشیده شده است. او توضیح می‌دهد که جریان هوا پودر آهن را به مشعل می‌برد و در آنجا می‌سوزد. واکنش گرمازا انرژی زیادی تولید می کند که برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می شود، در حالی که اکسید آهن برای استفاده مجدد فیلتر می شود. سپس بخار به آبجوسازی وارد می شود تا به فرآیند له کردن کمک کند.

مشعل فعلی به اندازه کافی بزرگ نیست که بتواند تاسیساتی به بزرگی یک کارخانه آبجوسازی را به طور کامل تامین کند، اما هدف پروژه اثبات این بود که پودر فلز را می توان در این نوع تنظیمات استفاده کرد. ون در شافت می‌گوید: «نصب MP100 که در آنجا بود، توان خروجی 100 کیلووات دارد که با یک خودرو قابل مقایسه است. 

“این بیشتر نمایشی بود برای نشان دادن اینکه در اصل شما می توانید از این فناوری در این فرآیند دم کردن استفاده کنید.”نمایش تمام صفحه

منبع: © Bart van Overbeeke

محققان هلندی نشان داده‌اند که پودر آهن با استفاده از آن در سیستم دیگ بخار 100 کیلوواتی می‌تواند به عنوان یک حامل انرژی پایدار عمل کند.

سالید همچنین امیدوار بود اولین کشتی آهنی جهان را در سال جاری معرفی کند، اما به این نتیجه رسید که با مشعل فعلی آنها امکان پذیر نیست. الن مایجرینک که امسال سرپرستی تیم Solid را بر عهده دارد، می‌گوید: MP100 به اندازه کافی برای یک کارخانه آبجوسازی یا برای یک کشتی بزرگ نیست، بنابراین آنچه در این پروژه پیش می‌آید افزایش می‌یابد. ما در حال حاضر روی یک نصب جدید کار می کنیم که 200 کیلووات خواهد بود. او توضیح می‌دهد که Solid و همکارانشان نیز از قبل برنامه‌هایی را برای نصب حتی بزرگ‌تر دیگری شروع کرده‌اند.

در همین حال Meijerink می گوید که Solid همچنین به دنبال راه های دیگری برای تولید انرژی پاک از پودرهای فلزی است. او می‌گوید: «بنابراین ما همان چرخه را داریم که با پودر آهن شروع می‌شود، اما دیگر آن را نمی‌سوزانیم، بخار به آن اضافه می‌کنیم.» “این دوباره یک اکسید ایجاد می کند، اما شما هیدروژن را از آن استخراج می کنید – بنابراین در واقع هیدروژن ایجاد می کند.”

مزایای منحصر به فرد

وی می‌گوید: «در حالت ایده‌آل ما به [حامل‌های انرژی] نیاز داریم که چگالی انرژی بالا، راندمان انرژی بالا، ردپای [زیست محیطی] کم و هزینه‌ها تا حد امکان پایین باشد، اما واقعیت این است که ما چنین فناوری نداریم». او ، متخصص در سیستم های انرژی مستقر در دانشگاه وارویک، انگلستان.

او خاطرنشان می کند که فناوری باتری در حال حاضر بهترین موقعیت را برای پاسخگویی به بسیاری از نیازهای بازار دارد و به ویژه از سوخت های فلزی در راندمان رفت و برگشت بهتر عمل می کند – اندازه گیری نسبت انرژی الکتریکی که می تواند از یک حامل انرژی به نسبت انرژی الکتریکی ذخیره شده اولیه بازیابی شود.

در آن در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی می‌توانند تا ۹۵ درصد راندمان رفت و برگشتی داشته باشند ، سوخت‌های فلزی به حدود ۴۰ درصد محدود می‌شوند. این به این دلیل است که تنها نیمی از انرژی ذخیره شده در یک سوخت فلزی می تواند در هنگام سوزاندن آنها به نیروی مورد نیاز تبدیل شود، مشابه سطح انرژی مهار شده در هنگام سوزاندن سوخت های فسیلی.

با این حال، با توجه به چگالی انرژی بالای سوخت‌های فلزی – حدود 10 برابر باتری‌های لیتیومی – و پایداری طولانی‌مدت، او معتقد است که سوخت‌های فلزی می‌توانند در شرایط خاص نقش مکمل را ایفا کنند. او خاطرنشان می کند که از آنجایی که منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید بیشتر برق ما را تامین می کنند، نیازهای زیرساخت انرژی ما تغییر خواهد کرد.

 سوخت‌های فلزی می‌توانند راهی برای ذخیره انرژی پاک در مکان‌های مختلف برای کمک به تحمل فشار زمانی که منابع انرژی محلی خروجی کمتری تولید می‌کنند – برای مثال در دوره‌های باد کم یا پوشش ابری زیاد، ارائه دهند. او می‌گوید: «وقتی سیستم قدرت را بیشتر کربن‌زدایی کنیم، نیاز به چنین فناوری ذخیره‌سازی انرژی قطعاً بیشتر از اکنون خواهد بود.»

او توضیح می‌دهد که در دنیای ایده‌آل، سیستم‌های انتقال برق قدرتمند می‌توانند برق را در فواصل طولانی از مکان‌هایی که انرژی‌های تجدیدپذیر تولید می‌شود، توزیع کنند. 

اما هزینه چنین سیستم هایی بسیار زیاد خواهد بود و همیشه مکان هایی با دسترسی کمتر به انرژی پاک وجود خواهد داشت. او می‌گوید: «به همین دلیل است که یک سیستم انتقال دوم یا جایگزین بسیار ارزشمند خواهد بود، زیرا ما جاده‌ها، زیرساخت‌هایمان را از قبل در دسترس داریم». اگر بتوانیم از زیرساخت های موجود برای انتقال مقداری انرژی استفاده کنیم، می تواند برای سیستم انتقال برق ما مکمل باشد. 

این می تواند یک راه حل بسیار کم هزینه باشد.

با این حال، او خاطرنشان می‌کند که علی‌رغم «مزایای منحصربه‌فرد» سوخت‌های فلزی، شانس استفاده تجاری از آن‌ها به میزان جذب سرمایه‌گذاری و تعداد افراد درگیر در توسعه چیزی که هنوز یک فناوری در مراحل اولیه است بستگی دارد.

سوالات اساسی

برگتورسون با رهبری گروهش برای سوخت‌های فلزی، به‌ویژه علاقه‌مند به بررسی اصول چگونگی سوختن ذرات فلز است. از نظر سؤالات پژوهشی، سؤالات زیادی داریم. با چه سرعتی می توانید فلزات را بسوزانید؟ او توضیح می دهد که این سرعت از نظر اینکه چگونه می توانید آنها را در یک نیروگاه تثبیت کنید بسیار مهم است.

 محصولات احتراق چیست؟ آنها چه شکلی هستند؟ چگونه به شرایطی که آنها را می سوزانید بستگی دارد؟ ساختار شعله ها چگونه است؟ چطورکار می کنند؟’

تیم برگتورسون با همکارانی از آیندهوون و همچنین ایرباس و آژانس فضایی اروپا در پروژه‌ای به نام perwaves همکاری کرده‌اند که در آن ذرات فلز در شرایط ریزگرانش در پروازهای زیرمداری می‌سوزند.

هدف این است که بازیافت آنها را به طور نامحدود ادامه دهیم

شما می توانید یک سوسپانسیون از ذرات آهن بسازید که بدون حرکت در یک گاز اکسید کننده قرار می گیرند. برگتورسون می‌گوید و سپس از زنون به‌عنوان گاز بی‌اثر استفاده می‌کنیم که سنگین است و دارای نفوذ حرارتی بسیار پایینی است تا انتقال حرارت را کندتر کند. همانطور که شعله در میان آن ذرات آهن منتشر می شود، رفتارهای بسیار متفاوتی با آنچه که ما با سوخت های هیدروکربنی به آن عادت کرده ایم، دارد – فیزیک کاملاً متفاوت است. و ما تازه شروع به مطالعه آن کرده‌ایم و سعی می‌کنیم بفهمیم که چگونه بر خواص شعله‌ای که ممکن است برای کاربردهای عملی جالب باشند، تأثیر می‌گذارد.

با تحقیقات بیشتر، امید این است که بازده انرژی سوخت های فلزی افزایش یابد و تلفات مربوط به جمع آوری و احیای سوخت به حداقل برسد. برخی هنوز ممکن است این سوال را داشته باشند که آیا سوخت های فلزی واقعاً می توانند پاسخی پایدار برای مشکل انرژی در نظر گرفته شوند یا خیر – در نهایت، فلزات هنوز باید از زمین خارج شوند. اما برگتورسون اشاره می‌کند که هر سیستم انرژی جایگزین شامل زیرساخت‌های جدید و هزینه‌های مواد خواهد بود.

منبع: © تیم موشکی ایرباس برمن

امواج نفوذی، یا امواج نفوذی واکنش- انتشار، پودر فلز را به آتش می کشند تا چگونگی سوختن آن در محفظه را بررسی کنند. این کار در شرایط بی وزنی انجام می شود زیرا پودر در اثر گرانش کلوخه می شود. در حالت بی وزنی، پودر فلز را می توان به طور مساوی قرار داد و معلق کرد و مطالعه آن را آسان تر می کند

در زمان‌های اولیه رشد ذخایر سوخت فلزی، نیاز به استخراج اضافی وجود دارد. اما البته، هدف این است که بازیافت آنها را به طور نامحدود ادامه دهیم،» برگتورسون می گوید. “به جای استفاده از آنها یک بار مانند سوخت های فسیلی، در اینجا ما در مورد دوچرخه سواری آنها از طریق 1000، 10،000، 1،000،000 بار صحبت می کنیم.

” برای برگتورسون، این کلید مفهومی است، که او استدلال می‌کند «امیدبخش‌ترین حامل‌های انرژی صفر کربنی که تا به امروز پیشنهاد شده‌اند» را نشان می‌دهد. شما فقط از همان اتو بارها و بارها استفاده می کنید، آن را در یک مکان شارژ می کنید و آن را در جای دیگری تخلیه می کنید.

در حالی که سوخت های فلزی ممکن است ایده ای دور به نظر برسد، آنها در حال حاضر رایج تر از آن چیزی هستند که شما ممکن است تصور کنید. هیدروژن که یکی از بزرگترین امیدها برای انتقال انرژی سبز به حساب می‌آید، خود را می‌توان یک فلز قلیایی در نظر گرفت – مطالعات نشان داده‌اند که در فشارهای بسیار بالا، هیدروژن می‌تواند ساختار فلزی به خود بگیرد. بنابراین هیدروژن یک سوخت فلزی است. 

همه گزینه های پایدار که شامل کربن نیستند، همه سوخت های فلزی هستند. برگتورسون تکرار می‌کند که باتری‌های ما باتری‌های لیتیوم یونی هستند، باتری‌های نیکل-هیدرید فلز، باتری‌های آلومینیومی-هوا هستند، آنها همچنین دارای سوخت فلزی هستند. بنابراین سوخت‌های فلزی در اطراف ما هستند و زمان آن فرا رسیده است که ما آن اتصالات را ببینیم و تشخیص دهیم که می‌توانند نقش بزرگی در این انتقال انرژی ایفا کنند، که بسیار فوری است.